一種用于GaN生長的低應(yīng)力狀態(tài)復(fù)合襯底的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于GaN生長的低應(yīng)力狀態(tài)且高溫穩(wěn)定的復(fù)合襯底。
【背景技術(shù)】
[0002]寬禁帶GaN基半導(dǎo)體材料具有優(yōu)異的光電特性，已被廣泛應(yīng)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(yīng)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(zhì)結(jié)晶體管(HFET)，已經(jīng)成為了國際光電子領(lǐng)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(zhì)外延技術(shù)。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(zhì)外延技術(shù)取得了巨大的成功，其中藍光、綠光LED已經(jīng)實現(xiàn)商品化，但是藍寶石基GaN復(fù)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(dǎo)致相關(guān)器件無法實現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)，只能采用同側(cè)臺階電極結(jié)構(gòu)，電流為側(cè)向注入，致使流過有源層的電流不均勻，導(dǎo)致電流簇擁效應(yīng)，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(dǎo)熱性能不好，在1000°C時熱導(dǎo)率約為0.25W/cmK，散熱問題突出，影響了 GaN基器件的電學(xué)、光學(xué)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(yīng)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(dǎo)熱導(dǎo)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(lǐng)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(shù)還未成熟，復(fù)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(dǎo)熱導(dǎo)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(chǎn)。
[0005]隨著研究的深入，人們越來越意識到同質(zhì)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(jīng)有一部分研究機構(gòu)開始關(guān)注介質(zhì)鍵合和激光剝離相結(jié)合的技術(shù)，將GaN外延單晶層轉(zhuǎn)移到高熱導(dǎo)率高電導(dǎo)率的襯底上，以消除藍寶石襯底的不利影響。已有專利(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(shù)制備用于GaN生長的復(fù)合襯底及其制備方法進行了描述，但目前使用介質(zhì)鍵合和激光剝離工藝制備導(dǎo)熱導(dǎo)電GaN復(fù)合襯底，存在如下問題:(I)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(jīng)成型的鍵合結(jié)構(gòu)又會重新發(fā)生變化，嚴重影響后期同質(zhì)外延和芯片制備的質(zhì)量；(2)襯底轉(zhuǎn)移工藝和導(dǎo)熱導(dǎo)電襯底的變化在轉(zhuǎn)移后的基片內(nèi)產(chǎn)生較大應(yīng)力，導(dǎo)致復(fù)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(yīng)力殘余是制約襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)在高性能GaN復(fù)合襯底上進一步應(yīng)用的主要原因。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供了一種用于GaN生長的低應(yīng)力狀態(tài)復(fù)合襯底，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(zhuǎn)移到導(dǎo)熱導(dǎo)電襯底上，并在導(dǎo)熱導(dǎo)電轉(zhuǎn)移襯底背面制備應(yīng)力補償層，以抵消轉(zhuǎn)移過程中基片內(nèi)的大部分應(yīng)力，所得到的復(fù)合襯底適用于同質(zhì)外延和制備垂直結(jié)構(gòu)LED器件，同時具備低應(yīng)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(zhì)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(yīng)力狀態(tài)復(fù)合襯底,包括一導(dǎo)熱導(dǎo)電襯底及位于該襯底上的高熔點導(dǎo)熱導(dǎo)電鍵合介質(zhì)層和GaN單晶外延層，且在導(dǎo)熱導(dǎo)電襯底背面制備了用于抵消應(yīng)力的應(yīng)力補償層。
[0008]如圖1所示，本發(fā)明提出的一種用于GaN生長的低應(yīng)力狀態(tài)復(fù)合襯底，包括(從下到上依次排列)應(yīng)力補償層、導(dǎo)熱導(dǎo)電襯底、位于其上的導(dǎo)熱導(dǎo)電鍵合介質(zhì)層及GaN單晶外延層。
[0009]上述導(dǎo)熱導(dǎo)電鍵合介質(zhì)層的厚度為10納米至100微米，優(yōu)選為500納米至20微米；導(dǎo)熱導(dǎo)電襯底的厚度為10微米至3000微米，優(yōu)選為50微米至1000微米；應(yīng)力補償層的厚度為0.1微米至300微米，優(yōu)選為10微米至100微米。
[0010]上述鍵合介質(zhì)層、導(dǎo)熱導(dǎo)電襯底及應(yīng)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)具備導(dǎo)熱導(dǎo)電性能。
[0011]上述應(yīng)力補償層在導(dǎo)熱導(dǎo)電襯底背面產(chǎn)生的應(yīng)力作用必須與轉(zhuǎn)移過來的GaN外延層所產(chǎn)生的應(yīng)力作用相反，該應(yīng)力補償層材料，可選擇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(zhì)金屬或幾種的合金。
[0012]按以上要求，該導(dǎo)熱導(dǎo)電鍵合介質(zhì)層材料，可以選擇鑰(Mo)、鈦(Ti)、鈀(Pd)、金(Au)、銅(Cu)、鎢(W)、鎳(Ni)、鉻(Cr)中的一種單質(zhì)金屬或幾種的合金，或者是樹脂基體和導(dǎo)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(gòu)成的導(dǎo)電聚合物，或者是以上一種或多種導(dǎo)電粒子的的微粒與粘合劑、溶劑、助劑所組成的導(dǎo)電漿料，或者是硅酸鹽基高溫導(dǎo)電膠(HSQ)，或者是鎳(Ni)、鉻(Cr)、硅(Si)、石朋(B)等金屬形成的高溫合金漿料。
[0013]按以上要求，該導(dǎo)熱導(dǎo)電轉(zhuǎn)移襯底材料，可以選擇鑰(Mo)、鈦(Ti)、鈀(Pd)、銅(Cu)、鎢(W)、鎳(Ni)、鉻(Cr)中的一種單質(zhì)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(yīng)力補償層和導(dǎo)熱導(dǎo)電鍵合介質(zhì)層，均可以是單層或多層結(jié)構(gòu)。
[0015]上述襯底轉(zhuǎn)移工藝中所使用GaN外延層的厚度為I微米至100微米，優(yōu)選為3微米至50微米，且GaN以單晶的形式存在。
[0016]上述應(yīng)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(xué)氣相沉積、金屬有機化學(xué)氣相沉積或者是真空熱蒸發(fā)技術(shù)，制備在導(dǎo)熱導(dǎo)電襯底的背面。
[0017]上述導(dǎo)熱導(dǎo)電鍵合介質(zhì)層，則利用磁控濺射或真空熱蒸發(fā)或濕法工藝，制備在GaN外延膜和導(dǎo)熱導(dǎo)電襯底的表面。
[0018]上述導(dǎo)熱導(dǎo)電襯底與GaN單晶外延層之間，通過導(dǎo)熱導(dǎo)電鍵合介質(zhì)層，使用高溫擴散鍵合方法進行連接。在溫度> 900°C，壓力100公斤力/平方英寸至4噸/平方英寸的條件下，通過導(dǎo)熱導(dǎo)電鍵合介質(zhì)層的充分擴散，將GaN外延膜和導(dǎo)熱導(dǎo)電襯底的正面鍵合在一起，如圖2所示。
[0019]本發(fā)明一種用于GaN生長的低應(yīng)力狀態(tài)復(fù)合襯底，其中包括省去應(yīng)力補償層結(jié)構(gòu)的較小應(yīng)力狀態(tài)復(fù)合襯底，例如，權(quán)衡性能和成本而省去應(yīng)力補償層結(jié)構(gòu)，只使用高溫擴散鍵合技術(shù)實現(xiàn)用于GaN生長的高溫下穩(wěn)定且較小殘余應(yīng)力復(fù)合襯底(如圖3所示)，也當(dāng)屬于本專利包括的范圍。
[0020]本發(fā)明所述的復(fù)合襯底，既具備可用于GaN同質(zhì)外延和制備垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的優(yōu)勢，又結(jié)合了高溫擴散鍵合和應(yīng)力補償技術(shù)的高溫穩(wěn)定、低應(yīng)力狀態(tài)的特點，因此具備許多獨特的優(yōu)勢:
[0021](I)本發(fā)明所述復(fù)合襯底，具有一層GaN，可實現(xiàn)GaN的同質(zhì)外延，提高外延生長質(zhì)量，且其導(dǎo)熱導(dǎo)電性能較好，可直接用于制備垂直結(jié)構(gòu)LED器件。從而有效地解決了藍寶石基GaN襯底導(dǎo)熱導(dǎo)電性能較差，無法制備垂直結(jié)構(gòu)LED，材料利用率低，異質(zhì)外延質(zhì)量較差，以及Si襯底和SiC襯底上外延生長的工藝復(fù)雜、成本高昂等問題。