詳解硅光子技術(shù)制造細薄膜的LED陣列

　　連結的1200dpi附生細薄膜LED數組于類(lèi)鉆石的碳（DLC）細薄膜是具有高熱流 傳導于第一時(shí)間內被測試。測試結果顯示好的鏈接之小的附生細薄膜（10μmx10μm）于DLC細薄膜是可以被建構。LED數組被鏈接于DLC細薄膜形狀于硅基座上顯示較高的熱流傳導特性；初步評估LED的溫度建議約為50℃甚至于一十分高的20kA/cm2 LED電流密度。

　　于近幾年，硅光子技術(shù)有一個(gè)特定的吸引力是為來(lái)自于”超越穆?tīng)枴奔夹g(shù)。許多的研究已被用來(lái)發(fā)展硅光子技術(shù)。于硅光子技術(shù)上的關(guān)鍵之一為整合光裝置與硅裝置。整合的光裝置以及硅裝置被許多的方法所研究，如使用硅的光射裝置，化合物半導體長(cháng)成于硅，以及晶圓連結等。這些技術(shù)均是為了裝置整合，半導體細薄膜連結看似吸引特別為整合相異的原料裝置。

　　至今半導體細薄膜連結的先導工作，許多的研究室早已研究將半導體細薄膜連結以整合到相異的原料裝置。但并無(wú)應用于很成功的產(chǎn)品已被半導體細薄膜連結。難于掌控半導體細薄膜使不具有任何的瑕疵，尤其是于晶圓層，看似一個(gè)大的理由為何有些實(shí)驗室嘗試應用半導體細薄膜鏈接于裝置產(chǎn)品。建構高可靠的鏈接細薄膜裝置已成為一個(gè)迫切的問(wèn)題。

　　半導體細薄膜連結具有一個(gè)大優(yōu)點(diǎn)將提供更多可變的抉擇以整合裝置原料組合勝于化合物半導體長(cháng)成于硅。未匹配的原料特性以及裝置過(guò)程限制化合物半導體長(cháng)成于硅于相異的原料裝置整合的應用。它將有可能來(lái)整合裝置，它可以被分開(kāi)制造于最好的制造過(guò)程中，當半導體細薄膜連結被應用。此也將引導高效能以及高可靠的被整合裝置。它的另一優(yōu)點(diǎn)是使用半導體細薄膜連結，此為平面的線(xiàn)結構被照相平版印刷形狀以連接到整合的裝置。金屬細薄膜線(xiàn)可以被形狀覆蓋于邊緣區域的鏈接細薄膜裝置。其線(xiàn)結構將導致更多的壓縮以及被整合高密度的裝置，相較于表面芯片固定結構使用晶粒鏈接，線(xiàn)鏈接以及翻轉的芯片的鏈接。平面的線(xiàn)結構排除大的連接印臺。將會(huì )產(chǎn)生降低裝置尺寸以及增加裝置的整合密度的結果。

　　光射二極管印頭（LED印頭）為關(guān)鍵組件，它被用于LED打印機以及單當作光源的使用。LED沖印機是為光電印刷打印機的型態(tài)之一；另一型態(tài)是為激光打印機。傳統的LED印頭包含有LED數組芯片以及CMOSIC驅動(dòng)器芯片這些可以被安裝于印刷電路板上。LED數組芯片以及IC驅動(dòng)器芯片被具有高密度線(xiàn)的鏈接。于LED數組芯片的光射區域是小的，例如，于600dpi為20μmx20μm，但是LED數組芯片的尺寸卻是很大，因為有大的線(xiàn)連結印臺。安裝的LED數組芯片以及IC驅動(dòng)器芯片也限制LED印頭尺寸的降低。為了解決這些問(wèn)題，我們也已研究整合細薄膜LED數組與CMOS IC驅動(dòng)器，并也有成功的開(kāi)發(fā)3維的細薄膜LED數組與IC驅動(dòng)器整合于LED印頭的技術(shù)；我們將此此技術(shù)稱(chēng)為“附生細薄膜連結（EFB）”技術(shù)并稱(chēng)為半導體細薄膜 “附生細薄膜”。

　　EFB技術(shù)將會(huì )被應用于整合相異的原料以及整合于附生細薄膜LED數組與IC驅動(dòng)器LED印頭上。應用的EFB技術(shù)于超高高密度整合的相異的原料裝置將是為一個(gè)有效的未來(lái)目標。制造于2D的附生細薄膜LED數組有一個(gè)好的測試EFB技術(shù)被應用于超高密度整合。2D LED數組的密度被限制于一個(gè)數組強度約為1mm盡可能長(cháng)的LED，被數組于具有傳統的安裝技術(shù)。許多較高的LED數組密度被期望建構于EFB技術(shù)被應用于2D LED數組的制造。

　　于較高的密度附生細薄膜LED數組，較高的熱傳導被期望于附生細薄膜LED數組被鏈接的基座，尤其當LED被操作于較高的LED電流范圍。但許多的研究為連結于半導體細薄膜在高熱流傳導材料已有被研究及報導。

　　于本文中，較高的密度附生細薄膜LED數組被整合于具有CMOS IC驅動(dòng)器的LED印頭之3維空間中。較高密度的2D附生細薄膜LED數組也可以由EFB的測試而被應用于較高密度整合的相異的原料裝置。藉由EFB的附生細薄膜LED數組形狀的熱傳導特性也被描述；經(jīng)由EFB的附生細薄膜LED的測試被連結于類(lèi)鉆石碳的（DLC）細薄膜也會(huì )被報導。

　　LED數組以及CMOS IC驅動(dòng)器的整合

　　圖1所顯示的為L(cháng)ED數組芯片以及IC驅動(dòng)器芯片的顯微鏡影像，它被安置于具有600dpi習慣的LED印頭印刷電路板。LED數組芯片以及IC驅動(dòng)器芯片為電子式連接具有高密度的金屬鏈接線(xiàn)，連結的線(xiàn)數量約為3000。

　　圖2所顯示的為新的LED數組的制造過(guò)程，它是為附生細薄膜LED數組，以及CMOS IC驅動(dòng)器被整合于EFB中。

　?。╝）對LED的附生細薄膜層被長(cháng)成于GaAs基座上。一個(gè)具有拋棄層被遠用來(lái)蝕刻GaAs基座；以及附生細薄膜層被長(cháng)成于附生細薄膜LED層，以及GaAs基座之間。附生細薄膜LED層包含有AlGa，當層中有雙異質(zhì)結構 （LED的波長(cháng)約為750nm）。

　?。╞）附生細薄膜LED層為臺地蝕刻于不同的絕緣區域，以及曝露拋棄層于臺地蝕刻。此絕緣圖樣為附生細薄膜LED層是被釋放自其它基座（GaAs基座）是透過(guò)對拋棄層的化學(xué)蝕刻。提供的材質(zhì)被成形20μmx20μm的絕緣范圍，此LED數組的區域強度為42.3μm以支持附生細薄膜LED層于600dpi數組強度。金屬細薄膜線(xiàn)被適當的釋放，以及連結處理成形于附生細薄膜LED的邊緣范圍沒(méi)有缺點(diǎn)；

　?。╟）附生細薄膜LED層的連結對有好的步驟含蓋率之金屬細薄膜線(xiàn)以及鏈接區域于IC驅動(dòng)器于附生細薄膜邊緣區域被觀(guān)查到。附生細薄膜LED層透過(guò)分子內力被緊密的鏈接到IC驅動(dòng)器表面于室溫下操作不用任何黏著(zhù)。于鏈接區域，此一IC驅動(dòng)器表面于附生細薄膜 連結 過(guò)程之前是沒(méi)什作用的。

　?。╠）支援材料被由附生細薄膜LED層走移。

　?。╡）附生細薄膜LED層被由LED數組臺地蝕刻成各別的LED。

　?。╢）金屬細薄膜線(xiàn)被透過(guò)照相平版印刷成形并連接到附生細薄膜LED以及IC驅動(dòng)器。

　 圖3所顯示為附生細薄膜LED鏈接于IC驅動(dòng)器范圍的掃描電子顯微鏡 （SEM） 影像。其光射范圍（附生細薄膜）為2μm。附生細薄膜LED被鏈接適當的IC驅動(dòng)器；無(wú)爆裂以及閑置被觀(guān)查到甚至有十分細附生細薄膜范圍約薄為150nm。圖4為顯示600dpi附生細薄膜LED數組被整合于具有IC驅動(dòng)器的SEM影像。附生細薄膜LED數組被適當的鏈接于IC驅動(dòng)器于CMOS IC晶圓范圍內。光射范圍為20μmx20μm。LED數組的強度為42.3μm（600dpi數組強度）。金屬細薄膜線(xiàn)被適當成形而于附生細薄膜LED的邊緣范圍內不具缺點(diǎn)。

　　圖5所顯示的為附生細薄膜LED鏈接于IC驅動(dòng)器的SEM影像剖面圖。相當好的連結被建構且無(wú)閑置出現于連結的界面，清楚的證明原子的后端范圍是在鏈接接口沒(méi)有被觀(guān)查到。不同的PLED以及Vf分配是小的；PLED的變化約為±5%且Vf的變化約±2%，也有傳統型態(tài)LED數組芯片（LED數組于GaAs基座）等效于PLED以及Vf。不同的PLED以及Vf 分配表示不同的鏈接接口特性，If 閑置∕或爆裂出現于附生細薄膜LED數組，不同的PLED以及Vf 分配。

　　圖7所顯示的結果為600dpi LED印頭之生命周期測試。LED印頭中包含有4992個(gè)LED。測試被進(jìn)行于較高的正常操作條件下LED電流以及工作周期。圖7的橫坐標以及縱坐標分別表示LED的數目（#1~#4992），以及射極光功率改變（PLED（t）-PLED（0））/PLED（0），其中的PLED（0）為啟始射極光功率，而PLED（t）為于t時(shí)間的射極光功率。圖7顯示沒(méi)有大的射極光功率下降出現于LED 印頭在 t=1000h時(shí)。于操作時(shí)間為1000h時(shí)的LED前向電流等于0.9mA，更高于5百萬(wàn)紙張的印出；機械也有長(cháng)的生命周期以提供新的LED印頭于LED 打印機上使用。

　　圖8顯示新的LED印頭（新的LED數組芯片被安置于印刷電路板上）的顯微鏡影像，當所有的LED均被開(kāi)啟時(shí)。與傳統的LED印頭（圖1）相比較，鏈接于LED數組的連接線(xiàn)以及IC驅動(dòng)器被完全的限制，且連結線(xiàn)所連接的印刷電路板以及IC驅動(dòng)器的輸入端。數量連結線(xiàn)的數量減少到1/5且被安置于LED印頭的芯片數量減少到1/2。降低鏈接線(xiàn)以及安裝芯片數量的結果，為可增加印頭產(chǎn)品的效益約為兩倍。也就是印頭產(chǎn)品的質(zhì)量可以很容易的增加超過(guò)兩倍，而不需改變印頭產(chǎn)品的機構（線(xiàn)鏈接器以及晶粒鏈接器）。

　　增加的LED密度會(huì )降低附生細薄膜LED的尺寸。附生細薄膜LED尺寸降低的結果會(huì )減少附生細薄膜LED于鏈接區域的鏈接強度。這也是制造較高密度LED數組的主要論點(diǎn)之一，連結強大的附生細薄膜LED數組經(jīng)由EFB被大的機械整合于附生細薄膜LED數組以及IC驅動(dòng)器。連結測試于較小的附生細薄膜LED于IC驅動(dòng)器被顯示鏈接于強度較小的附生細薄膜LED。于圖9顯示的是被鏈接于IC驅動(dòng)器的1200dpi附生細薄膜LED數組，它整合有于圖2所說(shuō)明的制造過(guò)程之1200dpi附生細薄膜LED數組及IC驅動(dòng)器被完成。于1200dpi附生細薄膜LED數組的制造過(guò)程中，無(wú)附生細薄膜LED脫離自IC驅動(dòng)器的鏈接區域。光射面積的大小為10μmx10μm，且LED 數組的強度是21.2μm（1200 dpi數組強度）。

　高密度2D附生細薄膜LED數組

　　于傳統的2D LED數組使用模式的型態(tài)是將LED安裝于電路板上，此一LED數組的厚度為比1mm大；甚至于傳統的LED芯片被使用時(shí)，連接到LED的鏈接線(xiàn)以及安裝于電路板會(huì )造成較大的LED數組厚度。當附生細薄膜LED被使用時(shí)，所有的線(xiàn)可以被成形于細圖樣的金屬細薄膜上。當于整合附生細薄膜LED數組以及IC驅動(dòng)器時(shí)，制造較高的密度2D LED數組的關(guān)鍵是建構高連結強度的附生細薄膜LED數組于基座上。

　　因為附生細薄膜LED很細為2μm，也為可變的。此一可撓的附生細薄膜LED特性允許我們使用較高的附生細薄膜LED數組于可撓的基座上。較高的密度2D附生細薄膜LED數組可分別被成形于玻璃以及塑料基座。此一2D附生細薄膜LED數組的制造過(guò)程與整合附生細薄膜LED數組以及IC驅動(dòng)器的過(guò)程相似。

　　于圖10所顯示的為2D 附生細薄膜LED數組（24點(diǎn)x24點(diǎn)），它被連結于塑料基座上。塑料基座的薄度為0.2mm，附生細薄膜LED的面積為300μmx300μm且數組強度為600μm。附生細薄膜包含有AlGaAs層（波長(cháng)約為750nm）或AlInGaP層（波長(cháng)約為650nm）。附生細薄膜的薄度約為2μm。2D附生細薄膜LED數組被適當的鏈接于基座且無(wú)閑置與無(wú)爆裂被發(fā)現。就如圖10所顯示，基座為具可撓性。當基座被彎著(zhù)時(shí)仍無(wú)閑置與無(wú)爆裂被發(fā)現。當基座彎著(zhù)此2D附生細薄膜LED數組也可以被適當的操作。圖10顯示的2D附生細薄膜LED數組為于彎著(zhù)基座之下的特性顯示。

　　圖11顯示600dpi 2D附生細薄膜LED數組被鏈接于EFB的玻璃基座。附生細薄膜LED的大小為20μm x20μm，且LED數組強度為42.3μm（600dpi），提供有高密度顯示的特性；2D LED數組面積約為 1mmx1mm（24點(diǎn)x24點(diǎn)）。制造的1200dpi 2D附生細薄膜LED數組也被測試。圖12顯示1200dpi 2D附生細薄膜 LED數組的特性。光射范圍的大小為10μmx10μm，且LED數組強度為21.2μm（1200dpi數組強度）。1200dpi 2D LED數組包含有24點(diǎn)x96點(diǎn)，以及2D的LED數組面積盡可能的小到約為0.5mmx1mm。測試結果顯示1200dpi附生細薄膜LED數組有好的效能。

附生細薄膜LED數組于DLC細薄膜

　　于附生細薄膜LED結構被直接的鏈接到一個(gè)基座，基座的熱傳導為決定附生細薄膜 LED熱流的主要特性。當另一層被成形于基座以及附生細薄膜LED被連結于此層，熱流傳導以及于基座的薄層也有效于于附生細薄膜LED的熱流特性。DLC為具有高熱流傳導的材質(zhì)之一。DLC細薄膜為具有奈米階的平滑表面可以被成形; 奈米階的平滑表面對于連結層來(lái)建構高連結直接于附生細薄膜上是必須的。DLC細薄膜化學(xué)阻抗特性的優(yōu)點(diǎn)，也將使用于DLC細薄膜當作連結層。但沒(méi)有研究關(guān)于連結附生細薄膜于DLC細薄膜的報導。

　　附生細薄膜LED于DLC細薄膜的連結測試首先被描述。DLC細薄膜于附生細薄膜LED的效益特性也被說(shuō)明。DLC細薄膜以化學(xué)氣相沉積（CVD）被成形于Si基座上。附生細薄膜層透過(guò)EFB被連結于DLC細薄膜。連結附生細薄膜層被由1200dpi附生細薄膜LED數組處理。金屬細薄膜電極以及線(xiàn)被照相平版印刷所成形。

　　圖13顯示附生細薄膜 數組被鏈接于DLC細薄膜。附生細薄膜的大小為10μmx10μm。附生細薄膜的強度為21.2μm（1200dpi 數組強度）。帶子測試被顯示附生細薄膜被連結于DLC細薄膜不被釋放。就如圖13所顯示，附生細薄膜被適當的連結包含有附生細薄膜的邊緣區域。正表示著(zhù)附生細薄膜被連結適當的機械以來(lái)自高密度附生細薄膜LED數組于DLC細薄膜。

　　于圖14顯示1200dpi附生細薄膜LED數組，它被鏈接于DLC細薄膜。光射范圍的大小為10μmx10μm。LED數組強度是21.2μm（1200dpi數組強度）。于一個(gè)芯片的分散LED特性（射極光功率LED，以及前向偏壓為Vf）將指示不同的連結特性。無(wú)用以及破裂出現于附生細薄膜LED而導致較大不同的LED特性。于圖15所顯示為600dpi附生細薄膜LED數組鏈接于DLC細薄膜在一個(gè)上芯片分布的PLED以及Vf。圖15顯示的結果可以被比較于顯示于圖6（600dpi附生細薄膜LED 數組鏈接于IC驅動(dòng)器）的結果。不同的PLED，以及分布于附生細薄膜LED數組的Vf，于DLC細薄膜上幾乎等于在IC驅動(dòng)器。分配于圖15的PLED數據以及Vf，表示被建構于DLC細薄膜上的附生細薄膜LED數組有好的鏈接，以及小的不同連結特性。

　　LED溫度的增加對于LED特性有影響，溫度增加會(huì )改變射極光功率的效率。附生細薄膜LED 數組的LED電流（If）-射極光功率（PLED）特性被量測于硅基座連結上的DLC細薄膜。附生細薄膜LED數組的If-PLED特性也被比較，當量測于連結到各種技術(shù)層于的硅基座。DLC細薄膜的各種技術(shù)層之熱流傳導將有很小。

　DLC細薄膜熱流特性的研究為一種新的處理。于熱傳導大的差別將導致大的附生細薄膜LED特性與于DLC細薄膜，以及各種技術(shù)層上很大的差異性。圖16顯示的被鏈接于DLC細薄膜上的1200dpi附生細薄膜LED數組的If-PLED特性。圖16也顯示被鏈接于各種技術(shù)層的附生細薄膜LED數組的If-PLED特性。

　　附生細薄膜LED數組的射極光功率，于DLC是等于各種技術(shù)層，但被想成較高的LED電流范圍時(shí)有較高于各種技術(shù)層。附生細薄膜LED數組的PLED于DLC細 薄膜于 If 約為12mA（電流密度約為20kA/cm2）時(shí)到達最大的PLED，且減少I(mǎi)f約為12mA。附生細薄膜LED數組的PLED于很少的If，各種技術(shù)層到達最大的PLED，且比 If 快速減少約為3mA 。

　　附生細薄膜 LED （Ts） 的溫度被初步評量，量測決定于來(lái)自于附生細薄膜LED射極光的波長(cháng)分布的If。初步模擬表示Ts約為50℃甚至有一個(gè)十分高的電流密度約為20kA/cm2（If 約為12mA），對于附生細薄膜LED可被連結DLC細薄膜于硅基座上；Ts也早已增加達約100℃于電流密度為5kA/cm2 （If 約為3mA）時(shí)，其附生細薄膜LED于各種技術(shù)層。它證明連結的附生細薄膜LED于DLC細薄膜上有較高的熱流傳導，保證較高的熱傳導特性，以及有較好的LED特性；甚至于較高的LED電流密度范圍時(shí)。

　　結語(yǔ)

　　制造較高密度的附生細薄膜LED數組，其特性為3度空間可透過(guò)EFB技術(shù)整合有CMOS IC驅動(dòng)器。1200dpi附生細薄膜LED數組也能透過(guò)EFB被整合于IC驅動(dòng)器。附生細薄膜LED數組被整合于IC驅動(dòng)器中顯示有好的LED特性以及高可靠。此一EFB技術(shù)提供有整合光以及CMOS裝置并保證可于硅光子技術(shù)所完成。

　　較高的密度的2D整合附生細薄膜LED可被完成于玻璃與可撓性的塑料基座上。2D LED數組的數組厚度可盡可能的細為21.2μm，并能透過(guò)EFB被制造于相異的原料基座上。測試結果也說(shuō)明EFB技術(shù)可以被應用于相異的原料裝置的超高密度整合。本研究為第一個(gè)提出也附生細薄膜LED可以直接的連結于DLC細薄膜成形于硅基座上。附生細薄膜LED數組 鏈接于DLC細薄膜的測試顯示，不同的鏈接特性有小的以及更好的LED特性可以被建構。EFB技術(shù)將提供新的高密度被整合裝置生產(chǎn)的改格且于系統中包含有相異的材料，并被期望于為來(lái)有更新的電子組件。