一种GaN基复合衬底的制备方法与流程

本发明属于半导体光电子器件技术领域，具体地说是一种GaN基复合衬底的制备方法。

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、高功率电子器件，且能应用于制备航空航天所需高端微电子器件，如高迁移率晶体管(HEMT)以及异质结晶体管(HFET)，已经成为了国际光电子领域的研究热点。而对于晶体外延而言，无论从外延生长的理论上，还是半导体外延技术的发展历史，都已经证明同质外延是最佳选择。由于GaN体单晶的制备非常困难，大尺寸单晶GaN难以直接获得，且价格昂贵，GaN材料体系的外延生长主要是基于大失配的异质外延技术。随着技术的整体进步，GaN衬底制备技术有了很大提高，使得GaN外延回归了同质外延，可以有效提高GaN后期外延晶体质量，但GaN单晶衬底价格居高不下，成为了限制其全面应用的主要问题。

为了兼顾同质外延优势和控制成本，已经有一部分研究机构开始关注使用衬底转移技术，将GaN外延单晶层转移到高热导率高电导率的衬底上，制备导热导电的GaN复合衬底。专利申请号为：201210068033.0和专利申请号为：201210068026.0的中国发明专利，公布了一种结合MOCVD外延技术、HVPE外延技术、激光剥离技术、键合技术以用微加工技术制备的新型的复合衬底材料产品及制备方法。该复合衬底既兼顾了GaN外延所需要的同质外延，提高晶体质量，又可以直接制备垂直结构LED，目前，使用衬底转移技术制备导热导电GaN复合衬底时仍存在一些问题：1)键合连接强度不够，在后续的同质外延过程中出现退键合和鼓泡现象；2)键合过程中，制备工艺引入非常大的应力作用，会引起衬底中残余应力较大，从而影响晶体质量和后续同质外延效果；3)氮极性导热导电GaN复合衬底中，激光剥离表面烧损严重，不利于同质外延，从而影响器件性能和稳定性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种GaN基复合衬底的制备方法，通过在转移前、和/或转移过程中、和/或转移后对该GaN基外延薄膜表面进行表面处理，调控表面粗糙度，提高键合介质层在GaN表面的附着力及相应的键合强度，并能通过粗糙表面释放部分残余应力，且可改善氮极性激光剥离、其它衬底剥离技术后以及衬底转移技术中对表面形貌的损伤，提高晶体质量和后续同质外延效果，最终改善器件性能和稳定性。

为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种GaN基复合衬底的制备方法，用于制备氮极性面朝上的GaN基复合衬底，该GaN基复合衬底由下往上依次包括导热导电转移衬底、键合介质层及GaN基外延薄膜，该方法包括以下步骤：

S11，在蓝宝石衬底上外延生长GaN基外延薄膜得到蓝宝石GaN基复合衬底；

S13,在GaN基外延薄膜表面和导热导电转移衬底上分别制备键合介质层，然后将GaN基外延薄膜表面的键合介质层与导热导电转移衬底上的键合介质层进行键合，使GaN基外延薄膜与导热导电转移衬底键合得到包含蓝宝石衬底、GaN基外延薄膜、键合介质层和导热导电转移衬底的半成品复合衬底；

S14，去除半成品复合衬底中的蓝宝石衬底，清洗后得到氮极性面朝上的GaN基外延薄膜与导热导电转移衬底键合在一起的成品GaN基复合衬底；

对步骤S11中得到的蓝宝石GaN基复合衬底内的GaN基外延薄膜表面进行表面处理，和/或对步骤S14的去除半成品复合衬底中的蓝宝石衬底后的GaN基外延薄膜表面进行表面处理。

一种GaN基复合衬底的制备方法，用于制备镓极性面朝上的GaN基复合衬底，该GaN基复合衬底由下往上依次包括导热导电转移衬底、键合介质层及GaN基外延薄膜，该方法包括以下步骤：

S21，在蓝宝石衬底上外延生长GaN基外延薄膜得到蓝宝石GaN基复合衬底，使用粘接剂将GaN基外延薄膜连接到临时转移衬底上，去除蓝宝石衬底；

S23，在GaN基外延薄膜和导热导电转移衬底表面分别制备键合介质层，然后将GaN基外延薄膜表面的键合介质层与导热导电转移衬底表面的键合介质层进行键合，实现GaN基外延薄膜与导热导电转移衬底键合的健合；

S24，在键合过程中，粘接剂在高温下碳化，临时转移衬底从GaN基外延薄膜表面自动脱落，清洗后得到镓极性面朝上的GaN基外延薄膜与导热导电转移衬底键合在一起的GaN基复合衬底；

对步骤S21中的蓝宝石GaN基复合衬底内的GaN基外延薄膜表面进行表面处理，和/或步骤S21中的使用粘接剂连接到临时转移衬底上且去除蓝宝石衬底后的GaN基外延薄膜表面进行表面处理，和/或步骤S24中临时转移衬底从GaN基外延薄膜表面自动脱落后的GaN基外延薄膜表面进行表面处理。

所述表面处理为干法刻蚀、湿法刻蚀、电化学腐蚀、光电化学腐蚀和无电极腐蚀中的任意一种、两种或者两种以上的组合。

所述步骤S13和步骤S23键合时采用的温度为0℃-2000℃，压力为20公斤力/平方英寸至20吨/平方英寸。

所述键合介质层的厚度为10纳米至100微米；导热导电转移衬底的厚度为10微米至3000微米。

所述键合介质层为钼(Mo)、金(Au)、钛(Ti)、铜(Cu)、钯(Pd)、钨(W)、镍(Ni)、铂(Pt)和铬(Cr)中的任意一种单质金属或两种或两种以上的合金；或者键合介质层是树脂基体和导电粒子银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、铝(Al)、锌(Zn)、铁(Fe)、镍(Ni)及石墨(C)中的任意一种、两种或两种以上构成的导电聚合物；或者键合介质层是导电粒子银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、铝(Al)、锌(Zn)、铁(Fe)、镍(Ni)和石墨(C)中的任意一种、两种或两种以上的微粒与粘合剂、溶剂、助剂所组成的导电浆料，或者键合介质层是硅酸盐基高温导电胶；或者键合介质层是镍(Ni)、铬(Cr)、硅(Si)和硼(B)形成的高温合金浆料。

所述键合介质层利用磁控溅射、电镀、真空热蒸发或湿法工艺，制备在GaN基外延薄膜和导热导电转移衬底的表面。

所述导热导电转移衬底是钼(Mo)、钛(Ti)、钯(Pd)、铜(Cu)、钨(W)、镍(Ni)、铂(Pt)和铬(Cr)中的一种单质金属或两种或两种以上的合金，或者是硅(Si)晶体、碳化硅(SiC)晶体或硅化铝(AlSi)晶体。

所述GaN基外延薄膜的厚度为10纳米至100微米。

所述GaN基外延薄膜是GaN薄膜、AlN薄膜和InN薄膜中的任意一种、两种或者三种的合金薄膜。

本发明在复合衬底的制备过程中进行表面处理，GaN基外延薄膜的Ga面或者是剥离后的N面进行表面处理，调控表面粗糙度，提高键合介质层在GaN表面的附着力及相应的键合强度，并能通过粗糙表面释放部分残余应力，且可改善氮极性激光剥离、其它衬底剥离技术后以及衬底转移技术中对表面形貌的损伤，提高晶体质量和后续同质外延效果，最终改善器件性能和稳定性。

附图说明

附图1为本发明制备得到的GaN基复合衬底的剖面结构示意图；

附图2为本发明用于制备镓极性面朝上的GaN基复合衬底的过程示意图；

附图3为本发明用于制备氮极性面朝上的GaN基复合衬底的过程示意图；

附图4为本发明实施例一的制备过程示意图；

附图5-1为本发明实施例二的制备过程示意图；附图5-2为本发明实施例二的制备过程示意图；附图5-3为本发明实施例二的制备过程示意图；附图5-4为本发明实施例二的制备过程示意图；

附图6-1为本发明实施例三的制备过程示意图；附图6-2为本发明实施例三的制备过程示意图；附图6-3为本发明实施例三的制备过程示意图；附图6-4为本发明实施例三的制备过程示意图；附图6-5为本发明实施例三的制备状态示意图；

附图7-1为本发明实施例四的制备过程示意图；附图7-2为本发明实施例四的制备过程示意图；附图7-3为本发明实施例四的制备过程示意图；附图7-4为本发明实施例四的制备过程示意图；附图7-5为本发明实施例四的制备过程示意图；附图7-6为本发明实施例四的制备过程示意图。

附图标记

键合介质层—1；GaN基外延薄膜—2；粘接剂—3；AlGaN基外延薄膜—4。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的描述。

本发明的制备方法，可用于制备氮极性面朝上的GaN基复合衬底，或者镓极性面朝上的GaN基复合衬底。

如附图1和3所示，一种GaN基复合衬底的制备方法，用于制备氮极性面朝上的GaN基复合衬底，该GaN基复合衬底由下往上依次包括导热导电转移衬底、键合介质层1及GaN基外延薄膜2，该方法包括以下步骤：

S11，在蓝宝石衬底上外延生长GaN基外延薄膜2得到蓝宝石GaN基复合衬底。

S13,在GaN基外延薄膜2表面和导热导电转移衬底上分别制备键合介质层1，然后将GaN基外延薄膜2表面的键合介质层1与导热导电转移衬底上的键合介质层1进行键合，使GaN基外延薄膜2与导热导电转移衬底键合得到包含蓝宝石衬底、GaN基外延薄膜2、键合介质层1和导热导电转移衬底的半成品复合衬底，键合时采用的温度为0℃-2000℃，压力为20公斤力/平方英寸至20吨/平方英寸。

S14，去除半成品复合衬底中的蓝宝石衬底，清洗后得到氮极性面朝上的GaN基外延薄膜与导热导电转移衬底键合在一起的成品GaN基复合衬底。

对步骤S11中得到的蓝宝石GaN基复合衬底内的GaN基外延薄膜表面进行表面处理，和/或对步骤S14的去除半成品复合衬底中的蓝宝石衬底后的GaN基外延薄膜表面进行表面处理。

如附图1和2所示，一种GaN基复合衬底的制备方法，用于制备镓极性面朝上的GaN基复合衬底，该GaN基复合衬底由下往上依次包括导热导电转移衬底、键合介质层1及GaN基外延薄膜2，该方法包括以下步骤：

S21，在蓝宝石衬底上外延生长GaN基外延薄膜2得到蓝宝石GaN基复合衬底，使用粘接剂3将GaN基外延薄膜2连接到临时转移衬底上，去除蓝宝石衬底。

S23，在GaN基外延薄膜2和导热导电转移衬底表面分别制备键合介质层1，然后将GaN基外延薄膜2表面的键合介质层1与导热导电转移衬底表面的键合介质层1进行键合，实现GaN基外延薄膜2与导热导电转移衬底键合的健合，键合时采用的温度为0℃-2000℃，压力为20公斤力/平方英寸至20吨/平方英寸。

S24，在键合过程中，粘接剂3在高温下碳化，临时转移衬底从GaN基外延薄膜2表面自动脱落，清洗后得到镓极性面朝上的GaN基外延薄膜与导热导电转移衬底键合在一起的GaN基复合衬底。

对步骤S21中的蓝宝石GaN基复合衬底内的GaN基外延薄膜表面进行表面处理，和/或步骤S21中的使用粘接剂连接到临时转移衬底上且去除蓝宝石衬底后的GaN基外延薄膜表面进行表面处理，和/或步骤S24中临时转移衬底从GaN基外延薄膜表面自动脱落后的GaN基外延薄膜表面进行表面处理。

所述表面处理为干法刻蚀、湿法刻蚀、电化学腐蚀、光电化学腐蚀和无电极腐蚀中的任意一种、两种或者两种以上的组合。其中干法刻蚀是在HVPE、MOCVD、ICP等设备中进行，湿法刻蚀是在磷酸、硫酸、盐酸、氢氧化钾、氢氧化钠等溶液中进行。对于干法刻蚀、湿法刻蚀、电化学腐蚀、光电化学腐蚀和无电极腐蚀的具体操作方式，均为本领域技术人员的公知常识，在此不再详细赘述。

此外，键合介质层的厚度为10纳米至100微米；导热导电转移衬底的厚度为10微米至3000微米。

所述键合介质层为钼(Mo)、金(Au)、钛(Ti)、铜(Cu)、钯(Pd)、钨(W)、镍(Ni)、铂(Pt)和铬(Cr)中的任意一种单质金属或两种或两种以上的合金；或者键合介质层是树脂基体和导电粒子银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、铝(Al)、锌(Zn)、铁(Fe)、镍(Ni)及石墨(C)中的任意一种、两种或两种以上构成的导电聚合物；或者键合介质层是导电粒子银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、铝(Al)、锌(Zn)、铁(Fe)、镍(Ni)和石墨(C)中的任意一种、两种或两种以上的微粒与粘合剂、溶剂、助剂所组成的导电浆料，或者键合介质层是硅酸盐基高温导电胶；或者键合介质层是镍(Ni)、铬(Cr)、硅(Si)和硼(B)形成的高温合金浆料。

所述键合介质层利用磁控溅射、电镀、真空热蒸发或湿法工艺，制备在GaN基外延薄膜和导热导电转移衬底的表面。

所述导热导电转移衬底是钼(Mo)、钛(Ti)、钯(Pd)、铜(Cu)、钨(W)、镍(Ni)、铂(Pt)和铬(Cr)中的一种单质金属或两种或两种以上的合金，或者是硅(Si)晶体、碳化硅(SiC)晶体或硅化铝(AlSi)晶体。

所述GaN基外延薄膜的厚度为10纳米至100微米。GaN基外延薄膜是GaN薄膜、AlN薄膜和InN薄膜中的任意一种、两种或者三种的合金薄膜。

下面以较佳的具体实施例对本发明作更进一步的阐述。

实施例一

如附图4所示，一种GaN基复合衬底的制备方法，在转移前对GaN基外延薄膜表面进行表面处理，该表面处理使用HVPE设备进行干法刻蚀，键合介质层1材料采用Au，导热导电转移衬底采用Si衬底，用于制备氮极性面朝上的GaN基复合衬底，制备方法包括以下步骤：

S11,在蓝宝石衬底上外延生长GaN基外延薄膜2得到蓝宝石GaN基复合衬底。具体为在2英寸430微米厚的平板蓝宝石衬底上，先使用MOCVD 技术外延生长4.5微米厚的GaN基外延薄膜，再在HVPE中生长将该GaN基外延薄膜生长加厚至35微米。

S12,将得到的蓝宝石GaN基复合衬底的GaN基外延薄膜表面2在HVPE设备中通入HCl气体890℃下干法刻蚀2小时。

S13,在GaN基外延薄膜2刻蚀后的表面和400微米厚的Si衬底正面，分别使用磁控溅射制备1微米厚的Au键合介质层1，然后在温度600℃，压力为4T下，进行80分钟的键合，实现GaN基外延薄膜与Si衬底的键合，得到半成品复合衬底。

S14，采用激光剥离技术，去除半成品复合衬底中的蓝宝石衬底，然后对该半成品复合衬底进行盐酸、丙酮等表面清洗工艺，得到AuAu键合、器件结构由下往上依次为GaN基外延薄膜/Au键合介质层/Au键合介质层/Si衬底的低应力状态氮极性GaN基复合衬底。

实施例二

一种GaN基复合衬底的制备方法，在转移前和转移完成后对GaN基外延薄膜表面进行表面处理，该表面处理使用HVPE设备和ICP设备进行干法刻蚀，键合介质层1材料采用Ni/Pt合金，导热导电转移衬底采用AlSi衬底，用于制备氮极性面朝上的GaN基复合衬底，制备方法包括以下步骤：

S11，在蓝宝石衬底上外延生长GaN基外延薄膜2。具体为在2英寸430微米厚的平板蓝宝石衬底上，先使用MOCVD技术外延生长4.5微米厚的GaN基外延薄膜，再在HVPE中将该GaN基外延薄膜生长加厚至30微米。

S12，将上述蓝宝石GaN基复合衬底的GaN基外延薄膜2表面在HVPE设备中刻蚀30分钟，如附图5-1所示。

S13，在得到的GaN基外延薄膜2刻蚀后的表面和150微米厚的AlSi衬底正面，分别使用磁控溅射制备1微米厚Ni和5微米厚Pt导电键合介质层1，然后在温度500℃，压力为12T下，进行120分钟的键合，实现GaN基外延薄膜2与AlSi衬底的键合，得到半成品复合衬底，如附图5-2所示。

(4)如附图5-3和附图5-4所示，采用激光剥离技术，去除半成品复合衬底中的蓝宝石衬底，然后对该半成品复合衬底的GaN基外延薄膜2表面使用ICP进行干法刻蚀，再经过盐酸、丙酮等表面清洗工艺后，得到Ni/Pt键合、器件结构由上往下依次为为GaN基外延薄膜/Ni/Pt键合介质层/Pt/Ni键合介质层/AlSi衬底的低应力状态氮极性GaN基复合衬底。

实施例三

一种GaN基复合衬底的制备方法，对一次翻转后的GaN基外延薄膜表面进行表面处理，采用ICP设备干法刻蚀，键合介质层1材料采用高温合金浆料NiCrSiB，导热导电转移衬底采用CuW衬底，粘接剂3采用502速干胶，临时转移衬底为陶瓷衬底，用于制备镓极性面朝上的GaN基复合衬底，制备方法包括以下步骤：

S21，在蓝宝石衬底上外延生长GaN基外延薄膜2。具体为在2英寸430微米厚的平板蓝宝石衬底上，先使用MOCVD技术外延生长4.5微米厚的GaN基外延薄膜，接着在HVPE中将该GaN基外延薄膜生长加厚至25微米，然后使用502速干胶3将该GaN基外延薄膜2粘接到2英寸300微米厚陶瓷衬底上，然后使用激光剥离技术将蓝宝石衬底去除，即得到粘接在陶瓷衬底上的GaN基外延薄膜，如图6-1所示。

S22，将粘接在陶瓷衬底上的GaN基外延薄膜2表面在ICP设备中进行干法刻蚀30分钟，得到均匀表面。

S23，在GaN基外延薄膜2刻蚀后的表面和CuW衬底正面，分别使用刮涂方法制备10微米的NiCrSiB层，作为键合介质层1，然后在温度1300℃，压力为8T下，进行60分钟的高温扩散键合，实现GaN基外延薄膜与CuW衬底的键合，如附图6-2和附图6-3所示。

(4)如附图6-4和附图6-5所示，在键合过程中，502速干胶3在高温下碳化，陶瓷衬底从GaN基外延薄膜2表面自动脱落，对所获得的复合衬底进行盐酸、丙酮等表面清洗工艺，由于GaN基外延薄膜前后经过了胶粘和高温合金浆料介质两次翻转，因此最终得到的是NiCrSiB键合、器件结构由上往下依次为为GaN基外延薄膜/NiCrSiB键合介质层/NiCrSiB键合介质层/CuW衬底的镓极性面朝上、适用于GaN同质外延生长的低应力状态复合衬底。

实施例四

一种GaN基复合衬底的制备方法，同时在转移前对GaN基外延薄膜表面使用熔融KOH腐蚀、蓝宝石衬底剥离后GaN基外延薄膜表面的ICP干法刻蚀以及最终GaN基复合衬底的表面MOCVD干法刻蚀处理，键合介质层1材料采用银胶Ag Paste，导热导电转移衬底采用CuMo衬底，粘接剂3采用502速干胶，临时转移衬底为玻璃衬底，采用AlGaN基外延薄膜4，制备镓极性面朝上的GaN基复合衬底，制备方法包括以下步骤：

S21，在2英寸430微米厚的平板蓝宝石衬底上，先使用MOCVD技术外延生长4.5微米厚的AlGaN基外延薄膜4，然后在熔融KOH中对该AlGaN基外延薄膜4进行腐蚀，利用湿法刻蚀处理方式处理，接着再使用502速干胶3将该AlGaN基外延薄膜4粘接到2英寸500微米厚玻璃衬底上，然后使用激光剥离技术将蓝宝石衬底去除，即得到粘接在玻璃衬底上的AlGaN基外延薄膜4，如附图7-1所示。

S22，将步骤S21中得到的AlGaN基外延薄膜4在ICP设备中进行干法刻蚀20分钟，得到均匀表面。

S23，对AlGaN基外延薄膜4的表面和CuMo衬底正面，分别使用旋涂方法制备50微米的银胶层，作为键合介质层1，然后在温度300℃，压力为15T下，进行120分钟的键合，实现AlGaN基外延薄膜4与CuMo衬底的键合，如附图7-3所示和附图7-4所示。

S24，如附图7-5和附图7-6所示，在键合过程中，502速干胶3在高温下碳化，玻璃衬底从AlGaN基外延薄膜4表面自动脱落，然后再对AlGaN基外延薄膜4表面在MOCVD设备中进行干法刻蚀30分钟，随后经过盐酸、丙酮等表面清洗工艺后，最终得到的是银胶键合、器件结构由上往下依次为AlGaN基外延薄膜/Ag Paste键合介质层/Ag Paste键合介质层/CuMo衬底的镓极性面朝上、适用于GaN同质外延生长的低应力状态复合衬底。

需要说明的是，以上各实施例的描述并非是对本发明的限定，在不脱离本发明的创造构思的前提下，任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。