一種陣列化圖形轉(zhuǎn)移的GaN基復(fù)合襯底的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及半導(dǎo)體光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種陣列化圖形轉(zhuǎn)移的且低應(yīng)力狀態(tài)的GaN基復(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，如高迀移率晶體管(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)域的研宄熱點。
[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)域的重要研宄課題之一，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]隨著研宄的深入，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)有一部分研宄機構(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。然而襯底轉(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外延膜上形成裙皺和裂紋，難以實現(xiàn)高性能GaN單晶外延和芯片制備；此外，后續(xù)芯片切割工藝會導(dǎo)致介質(zhì)層材料噴濺、GaN基薄膜損傷及器件短路等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本實用新型提供了如圖1所示的一種陣列化圖形轉(zhuǎn)移的GaN基復(fù)合襯底，包括導(dǎo)熱導(dǎo)電轉(zhuǎn)移襯底1、位于其上的導(dǎo)熱導(dǎo)電鍵合介質(zhì)層2、位于鍵合介質(zhì)層2上的，先用激光刻劃陣列化圖形后通過介質(zhì)鍵合和剝離后的，陣列化圖形轉(zhuǎn)移的GaN基外延薄膜3 ;本實用新型采用介質(zhì)鍵合技術(shù)和激光剝離技術(shù)實現(xiàn)GaN基外延薄膜的陣列化圖形的轉(zhuǎn)移，將刻劃成陣列化圖形的GaN基外延薄膜從藍寶石襯底轉(zhuǎn)移到導(dǎo)熱導(dǎo)電轉(zhuǎn)移襯底上，實現(xiàn)陣列化圖形轉(zhuǎn)移。由于所述結(jié)構(gòu)特征及先用激光刻劃陣列化圖形后通過介質(zhì)鍵合及激光剝離技術(shù)，實現(xiàn)陣列化圖形GaN基外延薄膜的轉(zhuǎn)移，不僅簡化工藝，降低成本，還能有效降低襯底轉(zhuǎn)移過程中的應(yīng)力，減少基片翹曲、褶皺和微裂紋產(chǎn)生，又能解決后續(xù)芯片切割時常出現(xiàn)的GaN基薄膜損傷、介質(zhì)層材料噴濺和器件短路問題，從而提高GaN基復(fù)合襯底及所制備芯片的性會K。
[0007]如圖1所示，本實用新型提出的一種陣列化圖形轉(zhuǎn)移的GaN基復(fù)合襯底，包括(從下到上依次為)導(dǎo)熱導(dǎo)電轉(zhuǎn)移襯底1、位于其上的導(dǎo)熱導(dǎo)電鍵合介質(zhì)層2、及位于鍵合介質(zhì)層上的陣列化圖形轉(zhuǎn)移的GaN基外延薄膜3。
[0008]所述陣列化圖形轉(zhuǎn)移的GaN基外延薄膜3的厚度為I微米至100微米，優(yōu)選為3微米至50微米；所述導(dǎo)熱導(dǎo)電鍵合介質(zhì)層2的厚度為10納米至100微米，優(yōu)選為500納米至20微米；所述導(dǎo)熱導(dǎo)電襯底I的厚度為10微米至3000微米，優(yōu)選為50微米至1000微米。
[0009]所述鍵合介質(zhì)層2和導(dǎo)熱導(dǎo)電襯底1，均要求具有以下幾個特性:(I)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。
[0010]所述導(dǎo)熱導(dǎo)電鍵合介質(zhì)層2，其材料熔點高于1000°C且具有導(dǎo)熱導(dǎo)電性能的，可以選擇鉬(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)、銷(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)、硼(B)等金屬形成的高溫合金漿料；所述導(dǎo)熱導(dǎo)電鍵合介質(zhì)層2，可以是單層或多層結(jié)構(gòu)，可利用磁控濺射或真空熱蒸發(fā)或濕法工藝，制備在導(dǎo)熱導(dǎo)電襯底I上面。
[0011]所述導(dǎo)熱導(dǎo)電轉(zhuǎn)移襯底1，其材料熔點高于1000°C且具有導(dǎo)熱導(dǎo)電性能的，可以選擇鉬(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，或者是娃(Si)晶體、碳化娃(SiC)晶體或AlSi晶體。
[0012]所述陣列化圖形轉(zhuǎn)移的GaN基外延薄膜3，可以是GaN薄膜、AlN薄膜、InN薄膜或者是其中二者、三者的合金薄膜；所述陣列化圖形轉(zhuǎn)移的GaN基外延薄膜，是在進行介質(zhì)鍵合和襯底剝離工藝前，先用激光刻劃成小尺寸的陣列化圖形的。
[0013]在所述導(dǎo)熱導(dǎo)電轉(zhuǎn)移襯底I與陣列化圖形轉(zhuǎn)移前GaN基外延薄膜之間，是通過鍵合介質(zhì)層2的擴散，將陣列化圖形轉(zhuǎn)移前GaN基外延薄膜和導(dǎo)熱導(dǎo)電轉(zhuǎn)移襯底I的正面，進行緊密鍵合；其擴散鍵合條件為:溫度多(TC、壓力100公斤力/平方英寸至4噸/平方英寸。
[0014]本實用新型一種陣列化圖形轉(zhuǎn)移的GaN基復(fù)合襯底，與相對傳統(tǒng)的襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)實現(xiàn)的GaN基復(fù)合襯底相比，具有許多獨特的優(yōu)勢:
[0015]I)將GaN基外延薄膜先通過激光刻劃后進行陣列化圖形轉(zhuǎn)移，能有效減小襯底轉(zhuǎn)移過程中的應(yīng)力，降低襯底翹曲、褶皺和微裂紋等缺陷的產(chǎn)生，可以獲得殘余應(yīng)力較小的高性能GaN基復(fù)合襯底，有利于后續(xù)GaN同質(zhì)外延和芯片的制備；
[0016]2)在后期芯片切割時，不需要切割GaN基薄膜，因此減少對GaN基外延薄膜的損傷；
[0017]3)陣列化圖形轉(zhuǎn)移，使GaN基復(fù)合襯底的圖形化工藝簡單，而鍵合介質(zhì)材料來源廣泛，能有效降低成本，利于產(chǎn)業(yè)化；
[0018]4)通過調(diào)整激光刻劃工藝中的激光能量和激光光斑大小，來控制陣列化圖形轉(zhuǎn)移的GaN基復(fù)合襯底中每一塊區(qū)域的大小及相鄰區(qū)域間的溝道寬度。
【附圖說明】
[0019]圖1是本實用新型一種陣列化圖形轉(zhuǎn)移的GaN基復(fù)合襯底的垂直剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2是實施例1.使用激光對GaN基外延薄膜進行方形刻劃，采用Ni/Pd/Ni鍵合介質(zhì)層，實現(xiàn)陣列化圖形轉(zhuǎn)移的GaN基復(fù)合襯底的制備流