金属键合技术及其在光电器件中的应用_图文

1、 中国光学期刊网 Vol.44, No.1Jan. 2007www. opticsjournal. net Vol.44, No.1Jan. 2007激光与光电子学进展 aser &Optoelectronics Progress 中国光学期刊网 www. opticsjournal. net 中国光学期刊网 Vol.44, No.1Jan. 2007www. opticsjournal. net Vol.44, No.1Jan. 2007激光与光电子学进展 aser &Optoelectronics Progress 中国光学期刊网 www. opticsjournal. n

2、et 中国光学期刊网 Vol.44, No.1Jan. 2007www. opticsjournal. netVol.44, No.1 Jan. 2007 L 激光与光电子学进展 aser & Optoelectronics Progress 改善 光学 DBR 的 反 射 率 25， 而 Ni 起阻挡键合层 Au-Ge 的缺陷 进 入 Au 或半导体 ， Au-Ge 的 熔 点 只 有 并 280 ，可 实 现 低温 金属键合， 且 不 会 导 致 光学 膜 Si/Al2O3 DBR 发生分解而影响其光学性质。 把 金属键合应用 到 VCSEL 器 件 结构 的制 作 中的 关 键

3、是 选择 低 熔 点、 高反射率、 易 与 半导体 形成 欧姆 接 触 、 扩散 系 数 大 的金属膜。 并 且 在键合 退火 处 理时 ， 退火 温 图 6 金属键合光 抽 运 VCSEL 平 均 光 输出功率曲 线 ， 其 中 内 插图 为阈值附 近激 射光谱图 27 度一般高于金属或合金共熔温 度 ， 这 样可利 用 扩散 和 熔融两个 作 用， 增加 键合 强度 。但 同时退火 温 度 也 不 能 过 高 ，否 则 可 能 导 致 材料的光学 性质 发生 改 变 ，甚至 发生材料分解 。 率 DBR 反 射 镜 ， InP 基 材料 热 性 能 劣 于 GaAs 基材料， 因 此长 波

4、 长 InP 基 VCSEL 研究 进 展 缓慢 。为 了 改 善 长 波 长 InP 基 VCSEL 的 这些 性 能， 目前 主要有以下 几 种 方法： 1 高温 直接 键合 InP 基 有 源 区 到 GaAs/AlGaAs DBR 腔 镜 ； 2 低温 键合 组 合 腔 镜 办 法， 如 蒸 镀光学 介 质 DBR 。 最近 ， 法国科学 家 Levallois C 等 27 成 功 地利 用金 属 键 合 把 VCSEL 器 件 键 合 到 硅 衬底上， 从 而改善 了 VCSEL 的器 件的 导热性 能。并 且 金属键合 对 6.5 对 Si/Al2O3 DBR Cr Au Ni

5、Au-Ge Au-Ge Ni Au Cr 530 nm 50 nm 100 nm 100 nm 100 nm 50 nm 530 nm Si 衬底 图 7 AuGeNiCr 金属键合区结构 12 这 VCSEL 的光学 性质影响不大 ， 对 VCSEL 器 件 结 构 的 制 作 是 有 利 的。 图 5(a 是 他 们 金属键合的 1.55 mm VCSEL 结构整个 截 面 简 图， 而 图 5(b 则 显 示 了其中的金 属膜 区 结构 。此 VCSEL 采 用 腔 长 为 1.5l 的 InGaAs/InGaAsP 量 子 阱 为 有 源 区， 上 下 DBR 用 磁控溅 射 折 射

6、率 相 差 1.9 的 a-Si/ a-SiNx 的光学 DBR 。 溅 射 上的 Au 具有 高反射 率， 有 助 于 提高 DBR 的 整 体反射率 25 5 结束语 随 着 对 金属键合 机理 的 逐渐 认识 和金属键合工艺技术的 逐渐 成 熟 ， 多 种 不 同 材料的 晶片 之 间 已 经 能 够通过 金属膜 实 现 键 合， 从 而可 形成 一 些 有 特 殊 用 途 的光 电器件，这 有 待 于进 一步的研究 和 开 发。以后 的光电器件 结构 制 作 中， 有 望 越 来 越 多 地利 用金属 键合技术。 收稿 日期： 2006-08-10 基金项目： 973 计 划 (200

7、3CB314903项 目资助。 作 者 简 介 : 谢 正 生 (1981 - ， 男， 江西 人， 中 国 科 学 院上 海 微 系 统 与 信 息 技 术 研 究所 研 究 生， 主要 从 事光电 子材 料与器件工艺研究。 E-mail: xiezs 。 导师简介： 吴 惠 桢 (1959- ， 男， 浙江 人， 中 国 科 学 院上 海 微 系 统 与 信 息 技 术 研 究所 研 究 员 ， 主要 从 事光电 子材 料、 物 理 与器件研究。 。热蒸发熔点只有 157 金属 In， 随 后 采 取 金属键 合的工艺流程，加 压 5 kg/cm2 在 240 退火 20 min。键合 后

8、 的器 件 性 能 良好 ，其 抽 运 光 输 出 功 率 曲 线 和 激射 光 谱图如图 6 所 示 。 在长 波 长 VCSEL 器件 结构 制 作中，除了用 TiAuIn 进行 金属键 合 外 ， 也 有 用其 它 金属膜， 这 由 VCSEL 的 结 构 材 料 和 工 艺 来 决 定。前面 提到 的 Lin H C 等11,12则 用金属 AuGeNiCr 进行 金属键合， 其金属键合区结构如图 7 所示。 其 中蒸镀的 Cr 是很好的 半导体材料 黏 接层 和 扩散 阻挡 层 ， Au 可 用 来 100 nm 36 中国光学期刊网 www . opticsjournal . ne

9、t 综合 评述 Review 光学器件 参考文献 Vol.44, No.1 Jan. 2007 1 Lasky J B, Stiffler S R, White F R et al. Silicon-on-insulator (SOI by bonding and etch-backJ. Proc. IEDM, 1985, 28 (4:684689 2 Albaugh K B, Cade P E, Rasmussen D H et al. Mechanisms of anodic bonding of silicon to pyrex GlassC. Hilton Head Island SC

10、 USA: IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop, 1988. 109110 3 孙元 平 , 付羿 , 渠 波 等. GaAs 衬底生 长 的 立 方 GaN 晶片 键合技术 J. 中国科学 (E, 2002, 32(5:584589 科学 :出版社 , 1996, 207256 4 黄庆安 . 硅 微 机械 加 工技术 M. 北京： 1210 6 Laskey J B. Wafer bonding for silicon-on-insulator technologiesJ. Appl. Phys. Lett., 1986, 48(1:

11、7880 7 Shimbo M, Furukawa K, Fukuda K et al. Silicon-to-silicon direct bonding methodJ. J. Appl. Phys., 1986, 60(8:2987 2989 8 Liu Chien -Chih， Lin Yen -Kuang, Houng Mau -Phon et al. The microstructure investigation of flip -chip laser diode bonding on silicon substrate by using indium -gold solder

12、J. IEEE Transactions on components and packaging technologies, 2003, 26(3:635641 9 Shi Frank, Chen Hao, MacLaren Scott. Wafer -bonded semiconductors using In/Sn and Cu/Ti metallic interlayers J. Appl. Phys. Lett., 2004, 84(18:35043506 · 激光 , 2004, 15(7:839841 10 杨 道 虹 , 徐晨 , 李 兰 等. Si/Ti/Au/Si

13、键合技术研究及其应用 J. 光电子 11 Lin H C, Chang K L, Hsieh K C et al. Metallic wafer bonding for the fabrication of long -wavelength vertical -cavity surface-emitting lasersJ. J. Appl. Phys., 2002, 92(7:41324134 12 Lin H C, Chang K L, Hsieh K C et al. Fabrication of 1.55 m VCSELs on Si using metallic bondingJ.

14、Electron. Lett., 2002, 38(11:516517 13 Aspar B, Jalaguier E, Mas A et al. Smart-cut process using metallic bonding: application to transfer of Si, GaAs, InP thinJ. Electron. Lett., 1999, 35(12:10241025 14 Shimatsu T, Mollema R H, Monsma D et al. Metal bonding during sputter film deposition J. J. Vac

15、. Sci. Technol. A, 1998, 16(4:21252133 15 Lee Chin C, Choe Selah. Fluxless In-Sn bonding process at 140 °CJ. Materials Science and Engineering A , 2002, 333: 4550 16 Kim T H, Howlader M M R, Itoh T et al. Room temperature Cu -Cu direct bonding using surface activated bonding methodJ. J. Vac. Sc

16、i. Technol. A , 2003, 21(2:449453 17 Horng R H, Wuu D S, Wei S C et al. AlGaInP light-emitting diodes with mirror substrates fabricated by wafer bondingJ. Appl. Phys. Lett., 1999, 75(20:30543056 18 Maszara W P, Goet G, Caviglia A et al. Bonding of silicon wafers for silicon-on-insulatorJ. J. Appl. P

17、hys., 1989, 64(10: 49434950 19 王翔 , 李婷, 王 玮 等 . 一种 Au-Si 键合 强度 检测 结构 与 试 验 J. 微纳电子技术 , 2003, 7(8:110112 20 Lao Yan-feng, Wu Hui -zhen. Observations of interfaces in direct wafer -bonded InP -GaAs structuresJ. J. Vac. Sci. Technol. B, 23(6:23512356 21 王翔 , 张 大成 , 李婷 等. 压 阻 加速度 计 的 Au-Si 共 晶 键合 J. 半导体

18、学报, 2003, 24(3:332336 22 芮松椿 . 低温 沉积 法金 刚 石 一金属 化 学键合工艺研究 J. 矿冶工程 , 1994, 14(3:5660 23 Lao Yan -Feng, Wu Hui -zhen, Huang Zhan -chao. Luminescent properties of annealed and directly wafer -bonded InAsP/InGaAsP multiple quantum wellsJ. Semicond. Sci. Technol., 2005, 20:615620 24 劳燕锋 , 吴惠桢 . 直接 键合 InP-GaAs 结构 界 面 的特 性 研 J. 物理学报 , 2005, 54(9:43344339 25 Huang Zhan-Chao, Wu Hui-Zhen. Design of synthesized DBRs for long-wavelength InP-based vertical-cavity surfac