详解硅光子技术制造细薄膜的LED阵列

 较高的密度单一石英细薄膜光射二极管（LED）数组已被研究。连结的附生细薄膜（epi薄膜）LED约薄为2μm已被建构于CMOS IC驱动器上，以及其它相异的原料基座是透过分子内力（“附生细薄膜连结（EFB）”技术）。此一附生细薄膜LED数组提供足够好的特性以供应LED印头（小的可变之射极光功率（< ±5%），以及长生命周期（ > 1000h））。制造测试于2维（2D）附生细薄膜的LED数组；显示2D的1200dpi附生细薄膜LED数组（一个小的光射范围为10μmx10μm，以及一个良好的数组强度为21.2μm）建构好的效能以显示其特性。

　　连结的1200dpi附生细薄膜LED数组于类钻石的碳（DLC）细薄膜是具有高热流 传导于第一时间内被测试。测试结果显示好的链接之小的附生细薄膜（10μmx10μm）于DLC细薄膜是可以被建构。LED数组被链接于DLC细薄膜形状于硅基座上显示较高的热流传导特性；初步评估LED的温度建议约为50℃甚至于一十分高的20kA/cm2 LED电流密度。

　　于近几年，硅光子技术有一个特定的吸引力是为来自于”超越穆尔”技术。许多的研究已被用来发展硅光子技术。于硅光子技术上的关键之一为整合光装置与硅装置。整合的光装置以及硅装置被许多的方法所研究，如使用硅的光射装置，化合物半导体长成于硅，以及晶圆连结等。这些技术均是为了装置整合，半导体细薄膜连结看似吸引特别为整合相异的原料装置。

　　至今半导体细薄膜连结的先导工作，许多的研究室早已研究将半导体细薄膜连结以整合到相异的原料装置。但并无应用于很成功的产品已被半导体细薄膜连结。难于掌控半导体细薄膜使不具有任何的瑕疵，尤其是于晶圆层，看似一个大的理由为何有些实验室尝试应用半导体细薄膜链接于装置产品。建构高可靠的链接细薄膜装置已成为一个迫切的问题。

　　半导体细薄膜连结具有一个大优点将提供更多可变的抉择以整合装置原料组合胜于化合物半导体长成于硅。未匹配的原料特性以及装置过程限制化合物半导体长成于硅于相异的原料装置整合的应用。它将有可能来整合装置，它可以被分开制造于最好的制造过程中，当半导体细薄膜连结被应用。此也将引导高效能以及高可靠的被整合装置。它的另一优点是使用半导体细薄膜连结，此为平面的线结构被照相平版印刷形状以连接到整合的装置。金属细薄膜线可以被形状覆盖于边缘区域的链接细薄膜装置。其线结构将导致更多的压缩以及被整合高密度的装置，相较于表面芯片固定结构使用晶粒链接，线链接以及翻转的芯片的链接。平面的线结构排除大的连接印台。将会产生降低装置尺寸以及增加装置的整合密度的结果。

　　光射二极管印头（LED印头）为关键组件，它被用于LED打印机以及单当作光源的使用。LED冲印机是为光电印刷打印机的型态之一；另一型态是为激光打印机。传统的LED印头包含有LED数组芯片以及CMOS IC驱动器芯片这些可以被安装于印刷电路板上。LED数组芯片以及IC驱动器芯片被具有高密度线的链接。于LED数组芯片的光射区域是小的，例如，于600dpi为20μmx20μm，但是LED 数组芯片的尺寸却是很大，因为有大的线连结印台。安装的LED数组芯片以及IC驱动器芯片也限制LED印头尺寸的降低。为了解决这些问题，我们也已研究整合细薄膜LED数组与CMOS IC驱动器，并也有成功的开发3维的细薄膜LED数组与IC驱动器整合于LED印头的技术；我们将此此技术称为“附生细薄膜连结（EFB）”技术并称为半导体细薄膜 “附生细薄膜”。

　　EFB技术将会被应用于整合相异的原料以及整合于附生细薄膜LED数组与IC驱动器LED印头上。应用的EFB技术于超高高密度整合的相异的原料装置将是为一个有效的未来目标。制造于2D的附生细薄膜LED数组有一个好的测试EFB技术被应用于超高密度整合。2D LED数组的密度被限制于一个数组强度约为1mm尽可能长的LED，被数组于具有传统的安装技术。许多较高的LED数组密度被期望建构于EFB技术被应用于2D LED数组的制造。

　　于较高的密度附生细薄膜LED数组，较高的热传导被期望于附生细薄膜LED数组被链接的基座，尤其当LED被操作于较高的LED电流范围。但许多的研究为连结于半导体细薄膜在高热流传导材料已有被研究及报导。

　　于本文中，较高的密度附生细薄膜LED数组被整合于具有CMOS IC驱动器的LED印头之3维空间中。较高密度的2D附生细薄膜LED数组也可以由EFB的测试而被应用于较高密度整合的相异的原料装置。藉由EFB的附生细薄膜LED数组形状的热传导特性也被描述；经由EFB的附生细薄膜LED的测试被连结于类钻石碳的（DLC）细薄膜也会被报导。

 

　　LED数组以及CMOS IC驱动器的整合

 

　　图1所显示的为LED数组芯片以及IC驱动器芯片的显微镜影像，它被安置于具有600dpi习惯的LED印头印刷电路板。LED数组芯片以及IC驱动器芯片为电子式连接具有高密度的金属链接线，连结的线数量约为3000。

 

　　

 

　　图2所显示的为新的LED数组的制造过程，它是为附生细薄膜LED数组，以及CMOS IC驱动器被整合于EFB中。

 

　　

 

　　（a）对LED的附生细薄膜层被长成于GaAs基座上。一个具有抛弃层被远用来蚀刻GaAs基座；以及附生细薄膜层被长成于附生细薄膜LED层，以及GaAs基座之间。附生细薄膜LED层包含有AlGa，当层中有双异质结构 （LED的波长约为750nm）。

　　（b）附生细薄膜LED层为台地蚀刻于不同的绝缘区域，以及曝露抛弃层于台地蚀刻。此绝缘图样为附生细薄膜LED层是被释放自其它基座（GaAs基座）是透过对抛弃层的化学蚀刻。提供的材质被成形20μmx20μm的绝缘范围，此LED数组的区域强度为42.3μm以支持附生细薄膜LED层于600dpi数组强度。金属细薄膜线被适当的释放，以及连结处理成形于附生细薄膜LED的边缘范围没有缺点；

　　（c）附生细薄膜LED层的连结对有好的步骤含盖率之金属细薄膜线以及链接区域于IC驱动器于附生细薄膜边缘区域被观查到。附生细薄膜LED层透过分子内力被紧密的链接到IC驱动器表面于室温下操作不用任何黏着。于链接区域，此一IC驱动器表面于附生细薄膜 连结 过程之前是没什作用的。

　　（d）支援材料被由附生细薄膜LED层走移。

　　（e）附生细薄膜LED层被由LED数组台地蚀刻成各别的LED。

　　（f）金属细薄膜线被透过照相平版印刷成形并连接到附生细薄膜LED以及IC驱动器。

　   图3所显示为附生细薄膜LED链接于IC驱动器范围的扫描电子显微镜 （SEM） 影像。其光射范围（附生细薄膜）为2μm。附生细薄膜LED被链接适当的IC驱动器；无爆裂以及闲置被观查到甚至有十分细附生细薄膜范围约薄为150nm。图4为显示600dpi附生细薄膜LED数组被整合于具有IC驱动器的SEM影像。附生细薄膜LED数组被适当的链接于IC驱动器于CMOS IC晶圆范围内。光射范围为20μmx20μm。LED数组的强度为42.3μm（600dpi数组强度）。金属细薄膜线被适当成形而于附生细薄膜LED的边缘范围内不具缺点。

 

　　

　　

 

　　图5所显示的为附生细薄膜LED链接于IC驱动器的SEM影像剖面图。相当好的连结被建构且无闲置出现于连结的界面，清楚的证明原子的后端范围是在链接接口没有被观查到。不同的PLED以及Vf 分配是小的；PLED的变化约为±5%且Vf的变化约±2%，也有传统型态LED数组芯片（LED数组于GaAs基座）等效于PLED以及Vf。不同的PLED以及Vf 分配表示不同的链接接口特性，If 闲置∕或爆裂出现于附生细薄膜LED数组，不同的PLED以及Vf 分配。

 

　　

　　

 

　　图7所显示的结果为600dpi LED印头之生命周期测试。LED印头中包含有4992个LED。测试被进行于较高的正常操作条件下LED电流以及工作周期。图7的横坐标以及纵坐标分别表示LED的数目（#1~#4992），以及射极光功率改变（PLED（t）-PLED（0））/PLED（0），其中的PLED（0）为启始射极光功率，而PLED（t）为于t时间的射极光功率。图7显示没有大的射极光功率下降出现于LED 印头在 t=1000h时。于操作时间为1000h时的LED前向电流等于0.9mA，更高于5百万纸张的印出；机械也有长的生命周期以提供新的LED印头于LED 打印机上使用。

 

　　

 

　　图8显示新的LED印头（新的LED数组芯片被安置于印刷电路板上）的显微镜影像，当所有的LED均被开启时。与传统的LED印头（图1）相比较，链接于LED数组的连接线以及IC驱动器被完全的限制，且连结线所连接的印刷电路板以及IC驱动器的输入端。数量连结线的数量减少到1/5且被安置于LED印头的芯片数量减少到1/2。降低链接线以及安装芯片数量的结果，为可增加印头产品的效益约为两倍。也就是印头产品的质量可以很容易的增加超过两倍，而不需改变印头产品的机构（线链接器以及晶粒链接器）。

 

　　

 

　　增加的LED密度会降低附生细薄膜LED的尺寸。附生细薄膜LED尺寸降低的结果会减少附生细薄膜LED于链接区域的链接强度。这也是制造较高密度LED数组的主要论点之一，连结强大的附生细薄膜LED数组经由EFB被大的机械整合于附生细薄膜LED数组以及IC驱动器。连结测试于较小的附生细薄膜LED于IC驱动器被显示链接于强度较小的附生细薄膜LED。于图9显示的是被链接于IC驱动器的1200dpi附生细薄膜LED数组，它整合有于图2所说明的制造过程之1200dpi附生细薄膜LED数组及IC驱动器被完成。于1200dpi附生细薄膜LED数组的制造过程中，无附生细薄膜LED脱离自IC驱动器的链接区域。光射面积的大小为10μmx10μm，且LED 数组的强度是21.2μm（1200 dpi数组强度）。

 

　　

　高密度2D附生细薄膜LED数组

 

　　于传统的2D LED数组使用模式的型态是将LED安装于电路板上，此一LED数组的厚度为比1mm大；甚至于传统的LED芯片被使用时，连接到LED的链接线以及安装于电路板会造成较大的LED数组厚度。当附生细薄膜LED被使用时，所有的线可以被成形于细图样的金属细薄膜上。当于整合附生细薄膜LED数组以及IC驱动器时，制造较高的密度2D LED数组的关键是建构高连结强度的附生细薄膜LED数组于基座上。

　　因为附生细薄膜LED很细为2μm，也为可变的。此一可挠的附生细薄膜LED特性允许我们使用较高的附生细薄膜LED数组于可挠的基座上。较高的密度2D附生细薄膜LED数组可分别被成形于玻璃以及塑料基座。此一2D附生细薄膜LED数组的制造过程与整合附生细薄膜LED数组以及IC驱动器的过程相似。

　　于图10所显示的为2D 附生细薄膜LED数组（24点x24点），它被连结于塑料基座上。塑料基座的薄度为0.2mm，附生细薄膜LED的面积为300μmx300μm且数组强度为600μm。附生细薄膜包含有AlGaAs层（波长约为750nm）或AlInGaP层（波长约为650nm）。附生细薄膜的薄度约为2μm。2D附生细薄膜LED数组被适当的链接于基座且无闲置与无爆裂被发现。就如图10所显示，基座为具可挠性。当基座被弯着时仍无闲置与无爆裂被发现。当基座弯着此2D附生细薄膜LED数组也可以被适当的操作。图10显示的2D附生细薄膜LED数组为于弯着基座之下的特性显示。

 

　　

 

　　图11显示600dpi 2D附生细薄膜LED数组被链接于EFB的玻璃基座。附生细薄膜LED的大小为20μm x20μm，且LED数组强度为42.3μm（600dpi），提供有高密度显示的特性；2D LED数组面积约为 1mmx1mm（24点x24点）。制造的1200dpi 2D附生细薄膜LED数组也被测试。图12显示1200dpi 2D附生细薄膜 LED数组的特性。光射范围的大小为10μmx10μm，且LED数组强度为21.2μm（1200dpi数组强度）。1200dpi 2D LED数组包含有24点x96点，以及2D的LED数组面积尽可能的小到约为0.5mmx1mm。测试结果显示1200dpi附生细薄膜LED数组有好的效能。

 

　　

　　

附生细薄膜LED数组于DLC细薄膜

 

　　于附生细薄膜LED结构被直接的链接到一个基座，基座的热传导为决定附生细薄膜 LED热流的主要特性。当另一层被成形于基座以及附生细薄膜LED被连结于此层，热流传导以及于基座的薄层也有效于于附生细薄膜LED的热流特性。DLC为具有高热流传导的材质之一。DLC细薄膜为具有奈米阶的平滑表面可以被成形; 奈米阶的平滑表面对于连结层来建构高连结直接于附生细薄膜上是必须的。DLC细薄膜化学阻抗特性的优点，也将使用于DLC细薄膜当作连结层。但没有研究关于连结附生细薄膜于DLC细薄膜的报导。

　　附生细薄膜LED于DLC细薄膜的连结测试首先被描述。DLC细薄膜于附生细薄膜LED的效益特性也被说明。DLC细薄膜以化学气相沉积（CVD）被成形于Si基座上。附生细薄膜层透过EFB被连结于DLC细薄膜。连结附生细薄膜层被由1200dpi附生细薄膜LED数组处理。金属细薄膜电极以及线被照相平版印刷所成形。

　　图13显示附生细薄膜 数组被链接于DLC细薄膜。附生细薄膜的大小为10μmx10μm。附生细薄膜的强度为21.2μm（1200dpi 数组强度）。带子测试被显示附生细薄膜被连结于DLC细薄膜不被释放。就如图13所显示，附生细薄膜被适当的连结包含有附生细薄膜的边缘区域。正表示着附生细薄膜被连结适当的机械以来自高密度附生细薄膜LED数组于DLC细薄膜。

 

　　

 

　　于图14显示1200dpi附生细薄膜LED数组，它被链接于DLC细薄膜。光射范围的大小为10μmx10μm。LED数组强度是21.2μm（1200dpi数组强度）。于一个芯片的分散LED特性（射极光功率LED，以及前向偏压为Vf）将指示不同的连结特性。无用以及破裂出现于附生细薄膜LED而导致较大不同的LED特性。于图15所显示为600dpi附生细薄膜LED数组链接于DLC细薄膜在一个上芯片分布的PLED以及Vf。图15显示的结果可以被比较于显示于图6（600dpi附生细薄膜LED 数组链接于IC驱动器）的结果。不同的PLED，以及分布于附生细薄膜LED数组的Vf，于DLC细薄膜上几乎等于在IC驱动器。分配于图15的PLED数据以及Vf，表示被建构于DLC细薄膜上的附生细薄膜LED数组有好的链接，以及小的不同连结特性。

 

　　

　　

 

　　LED温度的增加对于LED特性有影响，温度增加会改变射极光功率的效率。附生细薄膜LED 数组的LED电流（If）-射极光功率（PLED）特性被量测于硅基座连结上的DLC细薄膜。附生细薄膜LED数组的If-PLED特性也被比较，当量测于连结到各种技术层于的硅基座。DLC细薄膜的各种技术层之热流传导将有很小。

　DLC细薄膜热流特性的研究为一种新的处理。于热传导大的差别将导致大的附生细薄膜LED特性与于DLC细薄膜，以及各种技术层上很大的差异性。图16显示的被链接于DLC细薄膜上的1200dpi附生细薄膜LED数组的If-PLED特性。图16也显示被链接于各种技术层的附生细薄膜LED数组的If-PLED特性。

 

　　

 

　　附生细薄膜LED数组的射极光功率，于DLC是等于各种技术层，但被想成较高的LED电流范围时有较高于各种技术层。附生细薄膜LED数组的PLED于DLC细 薄膜于 If 约为12mA（电流密度约为20kA/cm2）时到达最大的PLED，且减少If约为12mA。附生细薄膜LED数组的PLED于很少的If，各种技术层到达最大的PLED，且比 If 快速减少约为3mA 。

　　附生细薄膜 LED （Ts） 的温度被初步评量，量测决定于来自于附生细薄膜LED射极光的波长分布的If。初步模拟表示Ts约为50℃甚至有一个十分高的电流密度约为20kA/cm2（If 约为12mA），对于附生细薄膜LED可被连结DLC细薄膜于硅基座上；Ts也早已增加达约100℃于电流密度为5kA/cm2 （If 约为3mA）时，其附生细薄膜LED于各种技术层。它证明连结的附生细薄膜LED于DLC细薄膜上有较高的热流传导，保证较高的热传导特性，以及有较好的LED特性；甚至于较高的LED电流密度范围时。

　　结语

　　制造较高密度的附生细薄膜LED数组，其特性为3度空间可透过EFB技术整合有CMOS IC驱动器。1200dpi附生细薄膜LED数组也能透过EFB被整合于IC驱动器。附生细薄膜LED数组被整合于IC驱动器中显示有好的LED特性以及高可靠。此一EFB技术提供有整合光以及CMOS装置并保证可于硅光子技术所完成。

　　较高的密度的2D整合附生细薄膜LED可被完成于玻璃与可挠性的塑料基座上。2D LED数组的数组厚度可尽可能的细为21.2μm，并能透过EFB被制造于相异的原料基座上。测试结果也说明EFB技术可以被应用于相异的原料装置的超高密度整合。本研究为第一个提出也附生细薄膜LED可以直接的连结于DLC细薄膜成形于硅基座上。附生细薄膜LED数组 链接于DLC细薄膜的测试显示，不同的链接特性有小的以及更好的LED特性可以被建构。EFB技术将提供新的高密度被整合装置生产的改格且于系统中包含有相异的材料，并被期望于为来有更新的电子组件。