一种用于GaN生长的具有隔离保护层的复合衬底制备方法与流程

本发明涉及一种用于GaN生长的具有隔离保护层的复合衬底及制备方法。

背景技术：

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。近期，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的在先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，但在制备镓极性用于GaN生长的复合衬底时存在如下问题：1)介质键合和激光剥离工艺会对GaN薄膜造成一定的损伤，显著增加位错密度和点缺陷等晶体缺陷，最终影响器件的性能和稳定性；2)键合过程中，粘接剂在GaN表面高温碳化后会形成碳颗粒等污染物，使得GaN薄膜容易产生裂纹和鼓泡等宏观缺陷，破坏其表面形貌，增加了同质外延的难度，且污染物随着高温过程会向晶体内部扩散形成晶体缺陷，增加了器件漏电流，严重影响器件的性能和成品率；3)键合过程中，粘接剂在碳化过程中产生非常大的应力作用，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。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种用于GaN生长的具有隔离保护层的复合衬底制备方法，避免了工艺过程中GaN外延层的表面损伤，提高良品率和同质外延质量。

为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种用于GaN生长的具有隔离保护层的复合衬底制备方法，包括以下步骤：

S11，在蓝宝石衬底上外延生长GaN外延层得到蓝宝石基GaN复合衬底；

S12，在蓝宝石基GaN复合衬底上的GaN外延层表面制备隔离保护层，使用粘接剂将隔离保护层连接到临时转移衬底上，去除原蓝宝石衬底；

S13，在GaN外延层和导热导电转移衬底上分别制备键合介质层，然后通过该键合介质层将GaN外延层和导热导电转移衬底进行键合，实现GaN外延层表面与导热导电转移衬底的键合；

S14，键合过程中临时转移衬底脱落，对所获得的复合衬底中的GaN外延层表面的隔离保护层，利用干法或湿法刻蚀工艺制备成图形化周期结构，得到具有隔离保护层的GaN基复合衬底。

一种用于GaN生长的具有隔离保护层的复合衬底制备方法，包括以下步骤：

S21，在蓝宝石衬底上外延生长GaN外延层得到蓝宝石基GaN复合衬底；

S22，在蓝宝石基GaN复合衬底上的GaN外延层表面制备隔离保护层，使用粘接剂将隔离保护层连接到临时转移衬底上，去除原蓝宝石衬底；

S23，在GaN外延层和导热导电转移衬底上分别制备键合介质层，然后通过该键合介质层将GaN外延层和导热导电转移衬底进行键合，实现GaN外延层表面与导热导电转移衬底的键合；

S24，键合过程中临时转移衬底脱落，对所获得的复合衬底GaN外延层表面进行腐蚀去除隔离保护层，得到去除隔离保护层的GaN基复合衬底。

所述隔离保护层为单层、双层、多层或是成份渐变层结构，或者是具有图形的层状结构，或者是层状结构与图形结构相互结合的多层结构。

所述隔离保护层是在衬底转移之前或是之后进行图形化处理，该隔离保护层的图形化为圆锥形、圆柱形、梯形圆台形、蒙古包形、三角锥形、方锥形、方柱形、三角方台型、梯形方台型、五边锥形、五边柱形、梯形五边台形、六边锥形、六边柱形、梯形六边台形、12边锥形、12边柱形、梯形12边台形的多边锥形或多边柱形或梯形多边台形周期性形状。

所述隔离保护层的图形化可使用ICP、HVPE、MOCVD等干法刻蚀工艺，也可以是使用常规溶液腐蚀、光电化学腐蚀、无电极腐蚀等湿法刻蚀工艺。

所述隔离保护层材料是AlN、ZnO、SiO₂、SiN_x、SiC、TiC和InN中的任意一种，或者是Mo、Au、Ti、Cu、Pd、W、Ni、Cr、In、Sn中的任意一种单质金属或两种或两种以上的合金。

所述隔离保护层的厚度为1纳米至100微米，优选为10-2000纳米。

所述隔离保护层利用HVPE、MOCVD、PECVD、电子束蒸发、磁控溅射、电镀、真空热蒸发或湿法工艺，制备在GaN外延层的表面。

所述GaN外延层的厚度为10纳米至100微米，并且优选为3微米至50微米。

所述GaN外延层为GaN薄膜、AlN薄膜和InN薄膜中的任意一种或者任意两种或者三种的合金薄膜。

所述键合介质层厚度为10纳米至100微米，该键合介质层为钼(Mo)、金(Au)、钛(Ti)、铜(Cu)、钯(Pd)、铂(Pt)、钨(W)、镍(Ni)和铬(Cr)中的任意一种单质金属或两种或者两种以上的合金，或者键合介质层为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)中的一种或两种或两种以上构成的导电聚合物，或者键合介质层为银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、铝(Al)、锌(Zn)、铁(Fe)、镍(Ni)及石墨(C)中的一种或两种或两种以上的导电粒子的微粒与粘合剂、溶剂、助剂所组成的导电浆料，或者键合介质层为硅酸盐基高温导电胶，或者键合介质层为镍(Ni)、铬(Cr)、硅(Si)和硼(B)等金属形成的高温合金浆料。

所述导热导电键合介质层，则利用磁控溅射、电镀、真空热蒸发或湿法工艺，制备在GaN外延层和导热导电衬底的表面。

所述导热导电转移衬底的厚度为10微米至3000微米，熔点高于1000℃且具有良好导热导电性能，该导热导电转移衬底为钼(Mo)、铜(Cu)、钛(Ti)、钨(W)、钯(Pd)、铂(Pt)镍(Ni)和铬(Cr)中的任意一种单质金属或两种或两种以上的合金，或者导热导电转移衬底为Si晶体、SiC晶体或AlSi晶体。

本发明通过在GaN外延层与粘接剂之间引入隔离保护层，此隔离保护层可以有效的防止衬底转移工艺对GaN薄膜的损伤，提高良品率和同质外延质量，并能平衡残余应力和提高出光效率，隔离粘接剂在高温碳化过程中产生的污染物，又能有效的缓解粘接剂在固化过程中对GaN单晶层的施加的有害应力。隔离保护层可以在衬底制备工艺完成后去除，或者通过对隔离保护层进行图形化设计，最终也可以在衬底中最终作为复合衬底的反射镜结构，或是充当复合衬底二次外延生长的缓冲层结构。

本发明是在蓝宝石衬底外延生长之后，在衬底转移过程中使用隔离保护层，保护GaN外延层不被衬底转移工艺所损伤，制备得到的复合衬底适用于高质量同质外延和直接制备垂直结构LED器件，同时具备低应力和小翘曲状态，能显著改善转移实现的GaN复合衬底的各项性能、GaN同质外延质量以及后期芯片工艺难度，可以有效控制成本，具有较大的发展潜力和市场前景。

附图说明

附图1为本发明制备保留隔离保护层的复合衬底结构示意图；

附图2为本发明制备去除隔离保护层的复合衬底结构示意图；

附图3-1为本发明实施例一制备过程示意图；附图3-2为本发明实施例一制备过程示意图；附图3-3为本发明实施例一制备过程示意图；附图3-4为本发明实施例一制备过程示意图；附图3-5为本发明实施例一制备过程示意图；

附图4-1为本发明实施例二制备过程示意图；附图4-2为本发明实施例二制备过程示意图；附图4-3为本发明实施例二制备过程示意图；

附图5为本发明实施例三结构示意图；

附图6为本发明实施例四结构示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

一种用于GaN生长的具有隔离保护层的复合衬底制备方法，包括以下步骤：

S11，在蓝宝石衬底上外延生长GaN外延层得到蓝宝石基GaN复合衬底；

S12，在蓝宝石基GaN复合衬底上的GaN外延层表面制备隔离保护层，使用粘接剂将隔离保护层连接到临时转移衬底上，去除原蓝宝石衬底；

S13，在GaN外延层和导热导电转移衬底上分别制备键合介质层，然后通过该键合介质层将GaN外延层和导热导电转移衬底进行键合，实现GaN外延层表面与导热导电转移衬底的键合；

S14，键合过程中临时转移衬底脱落，对所获得的复合衬底中的GaN外延层表面的隔离保护层，利用干法或湿法刻蚀工艺制备成图形化周期结构，得到具有隔离保护层的GaN基复合衬底，如附图1所示。

一种用于GaN生长的具有隔离保护层的复合衬底制备方法，包括以下步骤：

S21，在蓝宝石衬底上外延生长GaN外延层得到蓝宝石基GaN复合衬底；

S22，在蓝宝石基GaN复合衬底上的GaN外延层表面制备隔离保护层，使用粘接剂将隔离保护层连接到临时转移衬底上，去除原蓝宝石衬底；

S23，在GaN外延层和导热导电转移衬底上分别制备键合介质层，然后通过该键合介质层将GaN外延层和导热导电转移衬底进行键合，实现GaN外延层表面与导热导电转移衬底的键合；

S24，键合过程中临时转移衬底脱落，对所获得的复合衬底GaN外延层表面进行腐蚀去除隔离保护层，得到去除隔离保护层的GaN基复合衬底，如附图2所示。

通过以上两种制备方法，在制备完成后，可选择性的保留或者去除隔离保护层。

所述隔离保护层为单层、双层、多层或是成份渐变层结构，或者是具有图形的层状结构，或者是层状结构与图形结构相互结合的多层结构。

该隔离保护层可以是衬底转移工艺之前或是之后进行图形化处理，该隔离保护层的图形化为圆锥形、蒙古包形、圆柱形、梯形圆台形、三角锥形、方锥形、方柱形、三角方台型、梯形方台型、五边锥形、五边柱形、梯形五边台形、六边锥形、六边柱形、梯形六边台形、12边锥形、12边柱形、梯形12边台形的多边锥形或多边柱形或梯形多边台形周期性形状，或者是其他形状，在此不再一一列举，需要说明的是，以上列举并非是限定，在实际生产的时候，可根据实际使用情况进行灵活选择设定。

所述隔离保护层的图形化可是使用ICP、HVPE、MOCVD等干法刻蚀工艺，也可以是使用常规溶液腐蚀、光电化学腐蚀、无电极腐蚀等湿法刻蚀工艺。

所述隔离保护层材料是AlN、ZnO、SiO₂、SiN_x、SiC、TiC和InN中的任意一种，或者是Mo、Au、Ti、Cu、Pd、W、Ni、Cr、In、Sn中的任意一种单质金属或两种或两种以上的合金。

所述隔离保护层的厚度为1纳米至100微米，并且优选为10-2000纳米。隔离保护层利用HVPE、MOCVD、PECVD、电子束蒸发、磁控溅射、电镀、真空热蒸发或湿法工艺，制备在GaN外延层的表面。

所述GaN外延层的厚度为10纳米至100微米，并且优选为3微米至50微米。GaN外延层为GaN薄膜、AlN薄膜和InN薄膜中的任意一种或者任意两种或者三种的合金薄膜。

另外，键合介质层厚度为10纳米至100微米，该键合介质层为钼(Mo)、金(Au)、钛(Ti)、铜(Cu)、钯(Pd)、铂(Pt)、钨(W)、镍(Ni)和铬(Cr)中的任意一种单质金属或两种或者两种以上的合金，或者键合介质层为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)中的一种或两种或两种以上构成的导电聚合物，或者键合介质层为银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、铝(Al)、锌(Zn)、铁(Fe)、镍(Ni)及石墨(C)中的一种或两种或两种以上的导电粒子的微粒与粘合剂、溶剂、助剂所组成的导电浆料，或者键合介质层为硅酸盐基高温导电胶，或者键合介质层为镍(Ni)、铬(Cr)、硅(Si)和硼(B)等金属形成的高温合金浆料。

导热导电键合介质层，则利用磁控溅射、电镀、真空热蒸发或湿法工艺，制备在GaN外延层和导热导电衬底的表面。导热导电转移衬底的厚度为10微米至3000微米，熔点高于1000℃且具有良好导热导电性能，该导热导电转移衬底为钼(Mo)、钯(Pd)、铂(Pt)、铜(Cu)、钛(Ti)、钨(W)、镍(Ni)和铬(Cr)中的任意一种单质金属或两种或两种以上的合金，或者导热导电转移衬底为Si晶体、SiC晶体或AlSi晶体。

下面以具体实施例作补充阐述。

实施例一

使用SiN_X薄膜作为隔离保护层，导热导电转移衬底采用WCu合金衬底、键合介质层采用Au材料制成，用于制备GaN基复合衬底。

S21，使用2英寸430微米厚的平板蓝宝石衬底，利用MOCVD技术生长1.5微米厚的GaN外延层。

S22，利用PECVD技术在上述生长的GaN外延层表面生长一层1微米厚的SiO₂薄膜，并利用光刻以及干法刻蚀技术将SiO₂薄层制备成周期为3微米、底径2.6微米、高1.8微米的圆锥形周期结构。如图3-1所示。圆锥图形间距处要露出GaN外延层表面。这一周期性结构即可以作为反射层使用。

S23，将上述GaN外延层继续在MOCVD中增厚至4.5um，再使用HVPE技术生长将GaN外延层增厚至25微米，如图3-2所示。

S24，将上述生长好的GaN外延层表面继续利用PECVD技术生长一层10微米厚的SiN_X薄膜作为隔离保护层，将此隔离保护层面使用502快干胶粘接到2英寸400微米的单晶Si衬底上，使用Si衬底作为临时转移衬底，再通过激光剥离技术将蓝宝石衬底剥离掉，只剩下粘接在Si衬底上的GaN外延层和10微米厚的SiN_X薄膜，如附图3-3和3-4所示。

S25，在Si衬底上的GaN外延层表面和WCu合金衬底表面同时蒸镀1微米的Au键合介质层。然后在300度，压力10吨下，通过120分钟将Si衬底和GaN外延层键合在一起。键合完毕后，502快干胶会在高温下碳化，因此，Si衬底和GaN/WCu复合衬底的连接会自动分离。

S26，通过HF腐蚀去除上述复合衬底表面SiN_x隔离保护层，该复合衬底包括一层150微米厚的WCu合金衬底，W和Cu的质量比为20％比80％,通过AuAu键合和一层25微米厚的GaN外延层键合在一起，通过适当清洗后，得到使用SiN_X薄膜作为隔离保护层并在工艺完成后去除的，带有DBR反射镜结构的WCu金属衬底AuAu键合的GaN基复合衬底，如图3-5所示。

实施例二

使用带图形结构SiO₂作为隔离保护层，导热导电转移衬底采用MoCu金属衬底，键合介质层采用NiPt合金。

S11，使用4英寸430微米厚的平板蓝宝石衬底，利用MOCVD技术生长4.5微米厚的GaN外延层。

S12，将上述GaN外延层继续使用HVPE技术生长增厚至30微米，如图4-1所示。

S13，将上述生长好的GaN外延层继续利用磁控溅射技术生长一层2微米厚的SiO₂薄膜作为隔离保护层，如图4-2所示。再将此隔离保护层面使用502快干胶粘接到4英寸800微米的AlN陶瓷衬底上。再通过激光剥离技术将蓝宝石衬底剥离掉，只剩下粘接在AlN陶瓷片衬底上的GaN外延层和1微米SiO₂薄膜。

S14，在AlN陶瓷衬底上的GaN外延层的GaN面和MoCu金属衬底表面同时蒸500纳米的Ni和3微米的Pt作为键合介质层。然后在600℃，压力8吨下，通过2小时键合在一起。键合过程中，502快干胶会在高温下碳化，因此，AlN陶瓷衬底和GaN/MoCu复合衬底的连接会自动分离。

S15，再利用光刻以及干法刻蚀技术将SiO₂薄层制备成周期为3.5微米，底径3微米，高2微米的圆锥形周期结构，作为反射层结构，圆锥图形间距处要露出GaN表面。该复合衬底包括一层250微米厚的MoCu合金衬底，Mo和Cu的质量比为20％比80％。通过NiPt键合和一层30微米厚的GaN外延层键合在一起，通过适当清洗后，得到使用SiO₂作为隔离保护层及工艺完成后刻蚀为图形化反射镜结构的，MoCu金属衬底NiPt键合的GaN基复合衬底，如图4-3所示。

实施例三

使用带图形结构SiN_x和AlN作为双层结构隔离保护层，导热导电转移衬底采用SiC衬底，键合介质层采用Pd材料。

S21，使用2英寸430微米厚的平板蓝宝石衬底，利用MOCVD技术生长4.5微米厚的GaN外延层,并在表面继续低温生长一层300纳米AlN薄层。

S22，将上述生长好的AlN薄层表面继续利用PECVD技术生长一层1微米厚的SiN_x薄膜作为隔离保护层，再将此隔离保护层面使用502快干胶粘接到2英寸400微米的石英玻璃衬底上。再通过激光剥离技术将蓝宝石衬底剥离掉，只剩下粘接在石英琉璃衬底上的GaN外延层、300纳米的AlN薄层和1微米厚的SiN_x薄膜。

S23，在石英琉璃衬底上的GaN外延层和SiC衬底表面同时蒸镀2微米的金属Pd作为键合介质层。然后在1200℃，压力8吨下，通40分钟键合在一起。键合完毕后，502快干胶会在高温下碳化，因此，石英琉璃衬底和GaN/SiC复合衬底的连接会自动分离。

S24，通过HF腐蚀去除上述复合衬底表面SiN_x隔离保护层。该复合衬底包括一层200微米厚的SiC衬底，通过PdPd键合一层GaN外延层和AlN薄层，通过适当清洗后，使用SiN_x和AlN作为双层结构隔离保护层及SiN_x层在工艺完成后腐蚀去除，SiC衬底PdPd键合GaN层的复合衬底，如图5所示。其中，工艺过程中AlN缓冲层和SiN_x薄膜结构组成的双层结构隔离保护层，既可以在键合过程中保护GaN外延膜，又可以有效的改善二次外延生长GaN单晶层的晶体质量。

实施例四

使用SiO₂和SiC作为双层结构隔离保护层，导热导电转移衬底采用Si衬底，键合介质层采用Ni材料。

S11，使用2英寸430微米厚的平板蓝宝石衬底，利用MOCVD结合HVPE技术生长25微米厚的GaN外延层，然后在生长好的25微米厚的GaN单晶外延片表面低温生长一层10微米SiC缓冲层。

S12，将上述生长好的GaN外延层继续利用PECVD技术生长一层20微米厚的SiO₂薄膜作为隔离保护层，再将此隔离保护层面使用有机硅胶粘接到2英寸400微米的单晶Si衬底上，使用单晶Si衬底做临时转移衬底。再通过激光剥离技术将蓝宝石衬底剥离掉，只剩下粘接在Si衬底上的GaN外延层、10微米的SiC薄层及20微米的SiO₂薄膜。

S13，在Si衬底上的GaN外延层表面热蒸镀5微米的Ni作为键合介质层，Si衬底表面同时蒸镀5微米的Ni。然后在400℃，压力12吨下，通过120分钟键合在一起。键合完毕后，有机硅胶会在高温下碳化，因此，Si衬底和GaN/Si复合衬底的连接会自动分离。

S14，利用光刻以及干法刻蚀技术将SiO₂薄膜制备成周期为3微米，底径2.6微米，高1.8微米的圆锥形周期结构。圆锥图形间距处要露出SiC表面，这一周期性结构即可以作为反射层使用。该衬底包括一层400微米厚的Si衬底，通过NiNi键合一层25微米厚的GaN外延层、100纳米SiC缓冲层和100微米的SiO₂，通过适当清洗后，得到工艺过程中使用SiO₂和SiC作为双层结构隔离保护层和工艺完成后SiO₂层刻蚀成周期性图形结构的，Si衬底NiNi键合的GaN基复合衬底，如图6所示。

此外，对于上述所涉及到的激光剥离、HVPE技术生长外延层、PECVD技术生长外延层、MOCVD技术生长外延层、光刻以及干法刻蚀技术HF腐蚀等，均为本领域技术人员所熟知的公知技术，并非是本申请的发明要点，因此，在此不再对其进行详细赘述。

需要说明的是，以上所述并非是对本发明技术方案的限定，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。