专利名称：自分裂GaN基外延薄膜转移方法
技术领域：
本发明涉及氮化镓(GaN)基半导体器件，尤其是涉及一种用于在蓝宝石上外延生长的自分裂GaN基外延薄膜转移方法。
背景技术：
宽禁带GaN基半导体材料具有优异的光电特性，已被广泛应用于制作发光二极管、激光器、紫外探测器及高温、高频电子器件等。由于GaN的体单晶制备异常困难，大面积厚层单晶GaN的生长难以直接获得，目前GaN基材料普遍采用价格相对低廉的蓝宝石作为异质衬底。蓝宝石衬底是绝缘的材料，因此，此类GaN基器件无法实现垂直结构，只能采用同侧台阶电极结构。同侧台阶电极结构的电流为侧向注入，导致流过有源层的电流不均匀，出现电流簇拥效应、局部热效应、发光不均匀等问题，影响了 GaN基器件的电学、光学特性及长期可靠性。因此，克服蓝宝石衬底带来的不利影响，提高GaN基器件的光电性能，成为目前GaN基器件的研究热点之一。利用键合以及激光剥离，将GaN基薄膜转移至镍(Ni)、铜(Cu)、铬(Cr)、硅(Si)等具有良好导电、导热特性基底上是解决这一问题的重要方法之一。激光剥离技术是采用紫外波段的激光光源透过蓝宝石衬底辐照样品，其光子能量介于GaN和蓝宝石的带隙(Eg)之间(EgGaN〈EgLaser〈EgSapphire)，从蓝宝石衬底一侧扫描整个样品，激光透过蓝宝石衬底被蓝宝石/GaN界面处的GaN吸收，从而使GaN发生热分解生成金属Ga以及N2。N2以气体形式挥发，Ga滴可以用稀酸腐蚀去掉。在用传统方法制作GaN基发光二极管、激光器等器件的过程中，一方面需要用到两次等离子体刻蚀工艺，其中在形成器件台面结构时，等离子体刻蚀工艺会给发光区带来一定的损伤，工艺复杂，价格昂贵。另一方面，器件划片必须使用切割机或激光进行切割，用这种方法会出现金属基板卷边和喷溅而导致短路等不良问题(熊贻蜻.Si衬底GaN基LED薄膜转移电镀金属基板研究[D].博士论文，2010:40)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种降低成本、简化工艺和解决因切割金属衬底而造成器件短路问题的自分裂GaN基外延薄膜转移方法。本发明包括以下步骤:I)选择一外延结构，该外延结构包括蓝宝石衬底和GaN基薄膜外延层；2)在GaN基薄膜上形成图形化金属层；3)将样品键合到支撑基板上；4)采用紫外波段激光光源透过蓝宝石衬底辐照样品，实现自分裂GaN基外延薄膜的转移。在步骤I)中，所述GaN基薄膜可选自GaN薄膜、AlN薄膜或InN薄膜等以及GaN、AlN和InN合金薄膜。在步骤2)中，所述在GaN基薄膜上形成图形化金属层可采用光刻和镀膜方法，所述金属层可选自Au层，Cu层，Ni层，Zn层，Au、Cu、Ni和Zn合金层等中的ー种。在步骤3)中，所述支撑基板可采用石英支撑基板或硅支撑基板等；所述键合的介质可采用液体状粘结剂，或薄的金属过渡层。本发明提出了一种采用图形化金属厚膜技术、键合技术和激光剥离技术实现薄膜自分裂转移的方法，一方面在形成器件台面结构时，无需采用等离子体刻蚀エ艺，有利于制作GaN基发光二极管、激光器，避免了等离子体刻蚀对发光区的损伤，エ艺得到了简化。另一方面本发明可以避免为了器件划片进行切割金属衬底时出现金属衬底卷边和喷溅而导致短路等不良问题。本发明适用于在类蓝宝石的透明衬底上生长的GaN基器件的制备。
图1为本发明图形化金属厚层形成后的样品示意图。图2为本发明图形化金属厚层形成后键合在支撑衬底(以石英为例)上的样品示意图。图3为本发明激光辐照后自分裂样品示意图。图4为图形化电镀镍厚层后样品的SEM照片。在图4中，标尺为100 iim。图5为本发明激光辐照后自分裂样品从石英面观察未去掉蓝宝石的表面。图6为本发明激光辐照后自分裂样品去掉蓝宝石后的GaN薄膜表面。图7为自分裂GaN基薄膜转移方法中激光剥离系统示意图。图8为激光在光斑内的能量分布(a) —般激光剥离过程中的光斑能量分布(b)加一小孔后黑框光斑内的能量趋于均匀分布。在图1 8中，各标记为:蓝宝石l，GaN基薄膜2，厚金属层3，光刻胶4，石英支撑基板5，键合介质层6，沟槽8，无电镀镍支撑处碎片9，侧向生长的镍10，器件台面11，ニ维平移台71，样品台72，小孔73，透镜组74，激光器75。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并參照附图，对本发明作进ー步的说明。參见图1 8，本发明提供ー种自分裂GaN基外延薄膜转移方法，包括如下步骤:步骤1:用标准清洗方法清洁蓝宝石I上生长的GaN基薄膜2外延片表面。步骤2:采用光刻的方法在制作出10 U m厚的图形化光刻胶4，即外延片的器件台面11位置上没有光刻胶，而器件沟槽8位置上附着光刻胶4，光刻的主要步骤包括甩胶、前供、曝光、显影、清洗。步骤3:电镀沉积厚金属(镍)层3，因为光刻胶4的选择生长作用，所以最初镍只在器件台面11位置无胶处沉积生长，而沟槽8处没有镍沉积。随着镍在台面位置上不断沉积生长，镍的厚度不断増加。当镍的厚度超过了光刻胶时，光刻胶对镍侧向生长的阻挡作用消失，镍爬到光刻胶表面上开始纵向、横向共同生长。步骤4:镍的厚度达到40 U m后，去除沟槽8里的光刻胶4。用于图形电镀的光刻版设计为台面大小300 UmX 300 um,沟槽宽度300 y m。图4为图形化电镀镍厚层后样品的照片，从图4中可以清晰看到一排排方块形的电镀镍金属，说明图形光刻可以有效地分开镍电镀层，形成独立的单个器件的新衬底。步骤5:把电镀后的样品键合到石英支撑基板5上，形成键合介质层6，如图2所示在器件位置的薄膜区域有电镀镍金属支撑，在沟槽位置的薄膜区域无电镀镍金属支撑。步骤6:采用波长为248nm，脉宽为25ns的KrF准分子激光器透过蓝宝石辐照样品，去除蓝宝石，GaN基薄膜转移到金属镍上如图3所示。激光辐照后，有电镀镍金属支撑的区域蓝宝石去除后表面平坦，无电镀镍金属支撑的区域薄膜碎裂，形成无电镀镍支撑处碎片9，从而使薄膜实现自动分裂，如图5和6所示。在图6中，标记10为侧向生长的镍。本发明的关键在于步骤6中的激光剥离过程，由于初始的激光光源在光斑范围内为高斯分布，光斑中心处的能量最高，光斑边缘的能量最低(如图8(a)所示)。采用传统方式进行激光剥离，容易导致无电镀镍支撑区域薄膜局部碎裂，局部完好。解决上述问题可采用如图7的简单方式，在透镜组74和样品台72之间加ー小孔73进行激光剥离，小孔73内的能量趋于均匀分布(如图8(b)所示)。采用图7方式进行激光剥离，无电镀镍支撑区域薄膜全部碎裂，实现了 GaN基薄膜自分裂。在图7中，标记71为ニ维平移台，75为激光器。本发明最大的特点是:提出了ー种自分裂GaN基薄膜转移方法，解决了因切割金属衬底而造成器件短路问题。另外在形成器件台面结构时，无需采用等离子体刻蚀エ艺，从而避免了等离子体刻蚀对发光区的损伤，有利于制备出高效的器件。
权利要求
1.分裂GaN基外延薄膜转移方法，其特征在于包括以下步骤: 1)选择一外延结构，该外延结构包括蓝宝石衬底和GaN基薄膜外延层； 2)在GaN基薄膜上形成图形化金属层； 3)将样品键合到支撑基板上； 4)采用紫外波段激光光源透过蓝宝石衬底辐照样品，实现自分裂GaN基外延薄膜的转移。
2.按权利要求1所述自分裂GaN基外延薄膜转移方法，其特征在于在步骤I)中，所述GaN基薄膜选自GaN薄膜、AlN薄膜或InN薄膜以及GaN、AlN和InN合金薄膜。
3.按权利要求1所述自分裂GaN基外延薄膜转移方法，其特征在于在步骤2)中，所述在GaN基薄膜上形成图形化金属层采用光刻和镀膜方法。
4.按权利要求1所述自分裂GaN基外延薄膜转移方法，其特征在于在步骤2)中，所述金属层选自Au层，Cu层，Ni层，Zn层，Au、Cu、Ni和Zn合金层中的一种。
5.按权利要求1所述自分裂GaN基外延薄膜转移方法，其特征在于在步骤3)中，所述支撑基板采用石英支撑基板或硅支撑基板。
6.按权利要求1所述自分裂GaN基外延薄膜转移方法，其特征在于在步骤3)中，所述键合的介质采用液体状粘结剂，或薄的金属过渡层。
全文摘要
自分裂GaN基外延薄膜转移方法，涉及氮化镓基半导体器件。选择一外延结构，该外延结构包括蓝宝石衬底和GaN基薄膜外延层；在GaN基薄膜上形成图形化金属层；将样品键合到支撑基板上；采用紫外波段激光光源透过蓝宝石衬底辐照样品，实现自分裂GaN基外延薄膜的转移。在形成器件台面结构时，无需采用等离子体刻蚀工艺，从而避免了等离子体刻蚀对发光区的损伤，有利于制备出高效的器件，工艺得到了简化。同时可避免为了器件划片进行切割金属衬底时出现金属衬底卷边和喷溅而导致短路等不良问题。适用于在类蓝宝石的透明衬底上生长的GaN基器件的制备。
文档编号H01L33/02GK103094429SQ201310057538
公开日2013年5月8日 申请日期2013年2月22日 优先权日2013年2月22日
发明者张保平, 陈明, 蔡丽娥, 张江勇, 应磊莹 申请人:厦门大学