一种用于GaN生长的低应力状态复合衬底的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体光电子器件技术领域，特别涉及采用高温扩散键合工艺将GaN外延膜转移到导热导电衬底上，并结合应力补偿层实现用于GaN同质外延的低应力状态导热导电复合衬底的制备方法。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。目前，业界常用的是在稳定性较好价格相对低廉的蓝宝石衬底上采用两步生长法外延GaN材料，这种基于缓冲层的异质外延技术取得了巨大的成功，其中蓝光、绿光LED已经实现商品化，但是蓝宝石基GaN复合衬底已表现出较大的局限性，问题主要体现在:(I)蓝宝石是绝缘材料，导致相关器件无法实现垂直结构，只能采用同侧台阶电极结构，电流为侧向注入，致使流过有源层的电流不均匀，导致电流簇拥效应，降低了材料利用率，同时增加了器件制备中光刻和刻蚀工艺，显著增加成本；(2)蓝宝石的导热性能不好，在1000°C时热导率约为0.25W/cmK，散热问题突出，影响了 GaN基器件的电学、光学特性及长程工作可靠性，并限制了其在高温和大功率器件上的应用；(3)蓝宝石硬度较高，且蓝宝石晶格和GaN晶格间存在一个30°的夹角，所以不易解理，不能通过解理的方法得到GaN基器件的腔面。
[0004]硅衬底具有导热导电性能优异、成本较低，易于实现大尺寸和集成等优点，成为近几年GaN基LED领域的重要研究课题之一，然而硅与GaN间的晶格失配和热失配严重，目前硅衬底上生长GaN外延层的技术还未成熟，复合衬底中位错密度较高，甚至出现龟裂和裂纹。碳化硅是外延GaN的理想衬底，它与GaN间的晶格失配和热失配较小，且具备良好的导热导电性能，可极大简化制作工艺，但碳化硅衬底的价格昂贵，且外延层与衬底间存在粘附性等问题，不宜进行工业化生产。
[0005]随着研究的深入，人们越来越意识到同质外延是获得高性能GaN衬底的最佳选择。鉴于GaN单晶衬底的高昂价格，已经有一部分研究机构开始关注介质键合和激光剥离相结合的技术，将GaN外延单晶层转移到高热导率高电导率的衬底上，以消除蓝宝石衬底的不利影响。专利(专利申请号为:201210068033.0和专利申请号为:201210068026.0)对基于低温键合和激光剥离技术制备用于GaN生长的复合衬底及其制备方法进行了描述，但此前使用介质键合和激光剥离工艺制备导热导电GaN复合衬底，存在如下问题:(1)以往主要采用600°C以下较低温度键合，高温稳定性较差，在后续1000°C以上高温下外延生长GaN时已经成型的键合结构又会重新发生变化，严重影响后期同质外延和芯片制备的质量；(2)衬底转移工艺和导热导电衬底的变化在转移后的基片内产生较大应力，导致复合衬底发生一定翘曲，甚至在GaN外延膜上形成折皱，难以实现高性能GaN单晶外延和芯片制备。较差的高温稳定性及严重的应力残余是制约衬底转移技术在高性能GaN复合衬底上进一步应用的主要原因。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供了一种用于GaN生长的低应力状态复合衬底及其制备方法，采用高温扩散键合和衬底剥离工艺将GaN外延膜从蓝宝石衬底转移到导热导电衬底上，并在导热导电转移衬底背面制备应力补偿层，以抵消转移过程中基片内的大部分应力，所得到的复合衬底适用于同质外延和制备垂直结构LED器件，同时具备低应力状态和高温稳定性，能有效提高后续GaN外延及芯片制备的质量，具有较大的发展前景。
[0007]本发明一种用于GaN生长的低应力状态复合衬底的制备方法，包括导热导电衬底、位于该衬底上的高熔点导热导电键合介质层、GaN单晶外延层、以及在导热导电衬底背面上应力补偿层的制备方法。
[0008]如图1所示，本发明提出的一种用于GaN生长的低应力状态复合衬底，包括(从下到上依次排列)应力补偿层、导热导电衬底、位于其上的导热导电键合介质层及GaN单晶外延层。
[0009]上述导热导电键合介质层的厚度为10纳米至100微米；导热导电衬底的厚度为10微米至3000微米；应力补偿层的厚度为0.1微米至300微米。
[0010]上述键合介质层、导热导电衬底及应力补偿层均需要具有以下几个特征:1)耐高温，熔点超过1000°c，且无剧烈扩散现象；(2)具有导热导电性能。
[0011]上述应力补偿层在导热导电衬底背面产生的应力作用必须与转移过来的GaN外延层所产生的应力作用相反，该应力补偿层材料，熔点高于1000°C且具有良好导热导电性能，可以是GaN、SiNx等氮化物材料，或者是钥(Mo)、钛(Ti)、钯(Pd)、金(Au)、铜(Cu)、钨(W)、镍(Ni)、铬(Cr)中的一种单质金属或几种的合金。
[0012]按以上要求，该导热导电键合介质层材料，熔点高于1000°C且具有良好导热导电性能，可以是钥(Mo)、钛(Ti)、钯(Pd)、金(Au)、铜(Cu)、钨(W)、镍(Ni)、铬(Cr)中的一种单质金属或几种的合金，或者是树脂基体和导电粒子银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、铝(Al)、锌(Zn)、铁(Fe)、镍(Ni)、石墨(C)中的一种或多种构成的导电聚合物，或者是以上一种或多种导电粒子的的微粒与粘合剂、溶剂、助剂所组成的导电浆料，或者是硅酸盐基高温导电胶(HSQ)，或者是镍(Ni)、铬(Cr)、硅(Si)、硼(B)等金属形成的高温合金浆料。
[0013]按以上要求，该导热导电转移衬底材料，熔点高于1000°C且具有良好导热导电性能，可以是钥(Mo)、钛(Ti)、钯(Pd)、铜(Cu)、钨(W)、镍(Ni)、铬(Cr)中的一种单质金属或几种的合金，或者是硅(Si)晶体、碳化硅(SiC)晶体或AlSi晶体。
[0014]上述应力补偿层和导热导电键合介质层，均可以是单层或多层结构。
[0015]上述衬底转移工艺中所使用GaN外延层的厚度为I微米至100微米，且GaN以单晶的形式存在。
[0016]上述一种用于GaN生长的低应力状态复合衬底的制备方法，包括如下步骤:
[0017]a)在蓝宝石衬底上制备GaN单晶外延层；
[0018]b)在导热导电转移衬底的背面沉积应力补偿层；
[0019]c)分别在GaN外延膜与高导热导电转移衬底的表面制备导热导电键合介质层；
[0020]d)使用高温扩散键合工艺，将蓝宝石衬底上的GaN外延层与导热导电衬底通过键合介质层连接在一起；
[0021]e)然后采用衬底剥离技术将蓝宝石衬底去除，得到可用于GaN生长的低应力状态且高温稳定的复合衬底。制备流程如图2所示。
[0022]上述步骤a)蓝宝石衬底上制备GaN单晶外延层中，若直接在蓝宝石衬底上外延生长GaN单晶层，GaN的外延可使用本领域技术人员所熟知的MOCVD方法或HVPE方法，或MOCVD和HVPE方法相结合的技术；若使用胶粘转移的蓝宝石基GaN衬底，则采用环氧类粘结剂将GaN外延层从外延衬底转移到蓝宝石衬底上，此时蓝宝石作为临时支撑衬底；若在蓝宝石衬底与GaN外延层间插入ZnO等牺牲释放层，则可先使用磁控溅射等技术制备牺牲释放层，再使用MOCVD方法或HVPE方法，或MOCVD和HVPE方法相结合的技术进行GaN的外延。
[0023]上述步骤b)中，应力补偿层，可选择使用磁控溅射、分子束外延、等离子体增强化学气相沉积、金属有机化学气相沉积或者是真空热蒸发技术，制备的单层或多层薄膜结构。
[0024]步骤c)中，在GaN外延膜或导热导电衬底两者的表面，利用磁控溅射或真空热蒸发或湿法工艺制备单层或多层薄膜结构作为键合介质层，也可以只在GaN外延膜、导热导电转移衬底中选一种并在其表面沉积键合介质层，然后进行步骤d)。
[0025]上述步骤d)中，键合使用高温扩散键合方法。在温度彡900°C，压力100公斤力/平方英寸至4吨/平方英寸的条件下，通过键合介质层的充分扩散，将GaN外延膜和导热导电衬底的正面键合在一起。
[0026]上述步骤e)中，若在步骤a)中使用直接在蓝宝石衬底上外延的GaN单晶层,贝Ij此时采用激光剥离技术去除蓝宝石衬底；若在步骤a)中使用胶粘转移的蓝宝石基GaN衬底，则在键合加温过程中环氧类粘接剂碳化，蓝宝石衬底会从GaN外延膜表面自动脱落；若