一種用于GaN生長的低應力狀態(tài)復合襯底的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體光電子器件技術領域，特別涉及一種用于GaN生長的低應力狀態(tài)且高溫穩(wěn)定的復合襯底。
【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已經實現商品化，但是藍寶石基GaN復合襯底已表現出較大的局限性，問題主要體現在:(I)藍寶石是絕緣材料，導致相關器件無法實現垂直結構，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。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制備用于GaN生長的復合襯底及其制備方法進行了描述，但目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:(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，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,包括一導熱導電襯底及位于該襯底上的高熔點導熱導電鍵合介質層和GaN單晶外延層，且在導熱導電襯底背面制備了用于抵消應力的應力補償層。
[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，優(yōu)選為500納米至20微米；導熱導電襯底的厚度為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，且無劇烈擴散現象；(2)具備導熱導電性能。
[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，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，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)、石朋(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，可以選擇鑰(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，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，制備在導熱導電襯底的背面。
[0017]上述導熱導電鍵合介質層，則利用磁控濺射或真空熱蒸發(fā)或濕法工藝，制備在GaN外延膜和導熱導電襯底的表面。
[0018]上述導熱導電襯底與GaN單晶外延層之間，通過導熱導電鍵合介質層，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，通過導熱導電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，如圖2所示。
[0019]本發(fā)明一種用于GaN生長的低應力狀態(tài)復合襯底，其中包括省去應力補償層結構的較小應力狀態(tài)復合襯底，例如，權衡性能和成本而省去應力補償層結構，只使用高溫擴散鍵合技術實現用于GaN生長的高溫下穩(wěn)定且較小殘余應力復合襯底(如圖3所示)，也當屬于本專利包括的范圍。
[0020]本發(fā)明所述的復合襯底，既具備可用于GaN同質外延和制備垂直結構LED芯片的優(yōu)勢，又結合了高溫擴散鍵合和應力補償技術的高溫穩(wěn)定、低應力狀態(tài)的特點，因此具備許多獨特的優(yōu)勢:
[0021](I)本發(fā)明所述復合襯底，具有一層GaN，可實現GaN的同質外延，提高外延生長質量，且其導熱導電性能較好，可直接用于制備垂直結構LED器件。從而有效地解決了藍寶石基GaN襯底導熱導電性能較差，無法制備垂直結構LED，材料利用率低，異質外延質量較差，以及Si襯底和SiC襯底上外延生長的工藝復雜、成本高昂等問題。