一種用于GaN生長的低應力狀態(tài)復合襯底的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體光電子器件技術領域，特別涉及采用高溫擴散鍵合工藝將GaN外延膜轉移到導熱導電襯底上，并結合應力補償層實現(xiàn)用于GaN同質外延的低應力狀態(tài)導熱導電復合襯底的制備方法。
【背景技術】
[0002]寬禁帶GaN基半導體材料具有優(yōu)異的光電特性，已被廣泛應用于制作發(fā)光二極管、激光器、紫外探測器及高溫、高頻、高功率電子器件，且能應用于制備航空航天所需高端微電子器件，如高遷移率晶體管(HEMT)以及異質結晶體管(HFET)，已經成為了國際光電子領域的研究熱點。
[0003]由于GaN體單晶的制備非常困難，大尺寸單晶GaN難以直接獲得，且價格昂貴，GaN材料體系的外延生長主要是基于大失配的異質外延技術。目前，業(yè)界常用的是在穩(wěn)定性較好價格相對低廉的藍寶石襯底上采用兩步生長法外延GaN材料，這種基于緩沖層的異質外延技術取得了巨大的成功，其中藍光、綠光LED已經實現(xiàn)商品化，但是藍寶石基GaN復合襯底已表現(xiàn)出較大的局限性，問題主要體現(xiàn)在:(I)藍寶石是絕緣材料，導致相關器件無法實現(xiàn)垂直結構，只能采用同側臺階電極結構，電流為側向注入，致使流過有源層的電流不均勻，導致電流簇擁效應，降低了材料利用率，同時增加了器件制備中光刻和刻蝕工藝，顯著增加成本；(2)藍寶石的導熱性能不好，在1000°C時熱導率約為0.25W/cmK，散熱問題突出，影響了 GaN基器件的電學、光學特性及長程工作可靠性，并限制了其在高溫和大功率器件上的應用；(3)藍寶石硬度較高，且藍寶石晶格和GaN晶格間存在一個30°的夾角，所以不易解理，不能通過解理的方法得到GaN基器件的腔面。
[0004]硅襯底具有導熱導電性能優(yōu)異、成本較低，易于實現(xiàn)大尺寸和集成等優(yōu)點，成為近幾年GaN基LED領域的重要研究課題之一，然而硅與GaN間的晶格失配和熱失配嚴重，目前硅襯底上生長GaN外延層的技術還未成熟，復合襯底中位錯密度較高，甚至出現(xiàn)龜裂和裂紋。碳化硅是外延GaN的理想襯底，它與GaN間的晶格失配和熱失配較小，且具備良好的導熱導電性能，可極大簡化制作工藝，但碳化硅襯底的價格昂貴，且外延層與襯底間存在粘附性等問題，不宜進行工業(yè)化生產。
[0005]隨著研究的深入，人們越來越意識到同質外延是獲得高性能GaN襯底的最佳選擇。鑒于GaN單晶襯底的高昂價格，已經有一部分研究機構開始關注介質鍵合和激光剝離相結合的技術，將GaN外延單晶層轉移到高熱導率高電導率的襯底上，以消除藍寶石襯底的不利影響。專利(專利申請?zhí)枮?201210068033.0和專利申請?zhí)枮?201210068026.0)對基于低溫鍵合和激光剝離技術制備用于GaN生長的復合襯底及其制備方法進行了描述，但此前使用介質鍵合和激光剝離工藝制備導熱導電GaN復合襯底，存在如下問題:(1)以往主要采用600°C以下較低溫度鍵合，高溫穩(wěn)定性較差，在后續(xù)1000°C以上高溫下外延生長GaN時已經成型的鍵合結構又會重新發(fā)生變化，嚴重影響后期同質外延和芯片制備的質量；(2)襯底轉移工藝和導熱導電襯底的變化在轉移后的基片內產生較大應力，導致復合襯底發(fā)生一定翹曲，甚至在GaN外延膜上形成折皺，難以實現(xiàn)高性能GaN單晶外延和芯片制備。較差的高溫穩(wěn)定性及嚴重的應力殘余是制約襯底轉移技術在高性能GaN復合襯底上進一步應用的主要原因。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供了一種用于GaN生長的低應力狀態(tài)復合襯底及其制備方法，采用高溫擴散鍵合和襯底剝離工藝將GaN外延膜從藍寶石襯底轉移到導熱導電襯底上，并在導熱導電轉移襯底背面制備應力補償層，以抵消轉移過程中基片內的大部分應力，所得到的復合襯底適用于同質外延和制備垂直結構LED器件，同時具備低應力狀態(tài)和高溫穩(wěn)定性，能有效提高后續(xù)GaN外延及芯片制備的質量，具有較大的發(fā)展前景。
[0007]本發(fā)明一種用于GaN生長的低應力狀態(tài)復合襯底的制備方法，包括導熱導電襯底、位于該襯底上的高熔點導熱導電鍵合介質層、GaN單晶外延層、以及在導熱導電襯底背面上應力補償層的制備方法。
[0008]如圖1所示，本發(fā)明提出的一種用于GaN生長的低應力狀態(tài)復合襯底，包括(從下到上依次排列)應力補償層、導熱導電襯底、位于其上的導熱導電鍵合介質層及GaN單晶外延層。
[0009]上述導熱導電鍵合介質層的厚度為10納米至100微米；導熱導電襯底的厚度為10微米至3000微米；應力補償層的厚度為0.1微米至300微米。
[0010]上述鍵合介質層、導熱導電襯底及應力補償層均需要具有以下幾個特征:1)耐高溫，熔點超過1000°c，且無劇烈擴散現(xiàn)象；(2)具有導熱導電性能。
[0011]上述應力補償層在導熱導電襯底背面產生的應力作用必須與轉移過來的GaN外延層所產生的應力作用相反，該應力補償層材料，熔點高于1000°C且具有良好導熱導電性能，可以是GaN、SiNx等氮化物材料，或者是鑰(Mo)、鈦(Ti)、鈀(Pd)、金(Au)、銅(Cu)、鎢(W)、鎳(Ni)、鉻(Cr)中的一種單質金屬或幾種的合金。
[0012]按以上要求，該導熱導電鍵合介質層材料，熔點高于1000°C且具有良好導熱導電性能，可以是鑰(Mo)、鈦(Ti)、鈀(Pd)、金(Au)、銅(Cu)、鎢(W)、鎳(Ni)、鉻(Cr)中的一種單質金屬或幾種的合金，或者是樹脂基體和導電粒子銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、鋁(Al)、鋅(Zn)、鐵(Fe)、鎳(Ni)、石墨(C)中的一種或多種構成的導電聚合物，或者是以上一種或多種導電粒子的的微粒與粘合劑、溶劑、助劑所組成的導電漿料，或者是硅酸鹽基高溫導電膠(HSQ)，或者是鎳(Ni)、鉻(Cr)、硅(Si)、硼(B)等金屬形成的高溫合金漿料。
[0013]按以上要求，該導熱導電轉移襯底材料，熔點高于1000°C且具有良好導熱導電性能，可以是鑰(Mo)、鈦(Ti)、鈀(Pd)、銅(Cu)、鎢(W)、鎳(Ni)、鉻(Cr)中的一種單質金屬或幾種的合金，或者是硅(Si)晶體、碳化硅(SiC)晶體或AlSi晶體。
[0014]上述應力補償層和導熱導電鍵合介質層，均可以是單層或多層結構。
[0015]上述襯底轉移工藝中所使用GaN外延層的厚度為I微米至100微米，且GaN以單晶的形式存在。
[0016]上述一種用于GaN生長的低應力狀態(tài)復合襯底的制備方法，包括如下步驟:
[0017]a)在藍寶石襯底上制備GaN單晶外延層；
[0018]b)在導熱導電轉移襯底的背面沉積應力補償層；
[0019]c)分別在GaN外延膜與高導熱導電轉移襯底的表面制備導熱導電鍵合介質層；
[0020]d)使用高溫擴散鍵合工藝，將藍寶石襯底上的GaN外延層與導熱導電襯底通過鍵合介質層連接在一起；
[0021]e)然后采用襯底剝離技術將藍寶石襯底去除，得到可用于GaN生長的低應力狀態(tài)且高溫穩(wěn)定的復合襯底。制備流程如圖2所示。
[0022]上述步驟a)藍寶石襯底上制備GaN單晶外延層中，若直接在藍寶石襯底上外延生長GaN單晶層，GaN的外延可使用本領域技術人員所熟知的MOCVD方法或HVPE方法，或MOCVD和HVPE方法相結合的技術；若使用膠粘轉移的藍寶石基GaN襯底，則采用環(huán)氧類粘結劑將GaN外延層從外延襯底轉移到藍寶石襯底上，此時藍寶石作為臨時支撐襯底；若在藍寶石襯底與GaN外延層間插入ZnO等犧牲釋放層，則可先使用磁控濺射等技術制備犧牲釋放層，再使用MOCVD方法或HVPE方法，或MOCVD和HVPE方法相結合的技術進行GaN的外延。
[0023]上述步驟b)中，應力補償層，可選擇使用磁控濺射、分子束外延、等離子體增強化學氣相沉積、金屬有機化學氣相沉積或者是真空熱蒸發(fā)技術，制備的單層或多層薄膜結構。
[0024]步驟c)中，在GaN外延膜或導熱導電襯底兩者的表面，利用磁控濺射或真空熱蒸發(fā)或濕法工藝制備單層或多層薄膜結構作為鍵合介質層，也可以只在GaN外延膜、導熱導電轉移襯底中選一種并在其表面沉積鍵合介質層，然后進行步驟d)。
[0025]上述步驟d)中，鍵合使用高溫擴散鍵合方法。在溫度彡900°C，壓力100公斤力/平方英寸至4噸/平方英寸的條件下，通過鍵合介質層的充分擴散，將GaN外延膜和導熱導電襯底的正面鍵合在一起。
[0026]上述步驟e)中，若在步驟a)中使用直接在藍寶石襯底上外延的GaN單晶層,貝Ij此時采用激光剝離技術去除藍寶石襯底；若在步驟a)中使用膠粘轉移的藍寶石基GaN襯底，則在鍵合加溫過程中環(huán)氧類粘接劑碳化，藍寶石襯底會從GaN外延膜表面自動脫落；若