CN101660206B - 一种完整性GaN基薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种完整性GaN基薄膜的制备方法，通过在单元光斑边缘区域预置通道，一方面，可以大幅降低利用共晶键合转移基板过程应力导致的GaN外延晶片或支撑基板的破裂；另一方面，转移基板后再通过减薄蓝宝石衬底自然裸露出预置通道，提供作为激光剥离过程的气体释放通道，同时实现相邻光斑区域的蓝宝石衬底及其外延薄膜的绝对分离，每个剥离单元之间完全独立，不存在应力的影响，解决了单元GaN基薄膜边缘的破损问题，即可以保证蓝宝石衬底激光剥离后GaN基薄膜的完整性，提高GaN基薄膜器件的成品率。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造GaN基薄膜的方法，更为具体的是涉及一种适用于激光剥离技术去除蓝宝石衬底的GaN基薄膜的制备方法。
背景技术
目前大多数的氮化镓(GaN)基外延材料主要是生长在蓝宝石衬底上，但由于蓝宝石导电性能较差，普通的GaN基发光器件采用横向结构，即两个电极在器件的同一侧，电流在N-GaN层中横向流动不等的距离，存在电流堵塞，产生热量；另外，蓝宝石衬底的导热性能差，因此大大限制了GaN基器件的发光功率及效率。近年来，为了提高GaN芯片的发光功率和效率，发展了激光剥离(LaserLift-off，LLO)蓝宝石技术，例如：在蓝宝石衬底上通过MOCVD沉积GaN基薄膜，然后把GaN基薄膜通过晶圆键合技术或电镀技术黏结到半导体或金属基板上，再把蓝宝石衬底用激光剥离方法去除，将器件做成垂直结构。这样一方面可以通过在外延薄膜和基板之间加一个反射层，另一方面由于在氮极性面的GaN上容易通过光化学腐蚀的方法获取粗糙的出光面，以上两方面使薄膜GaN芯片具有更高的出光效率，同时转移后的基板具有优良的导热特性，因此转移到导电散热的支撑基板上的GaN基薄膜芯片在大电流应用上具有较大的优势。
然而，到目前为止，激光剥离成品率低一直是制约激光剥离蓝宝石衬底技术应用于薄膜GaN基器件产业化的瓶颈。商用的激光剥离设备由于功率限制，光斑尺寸只是mm2量级，而目前GaN基外延薄膜都是生长在直径至少为50mm的蓝宝石衬底上，因此，必须设定逐单元扫描辐照才能完成整片蓝宝石衬底的剥离。通常，光斑最先剥离单元的薄膜是完整的，但与之相邻的未剥离区域的薄膜则很可能破裂，并且裂痕会延伸到外延其它区域。这是因为在光斑辐照范围内，生长界面处一定厚度的GaN基外延层因吸收紫外辐射而发生热分解，热分解过程释放生成气体氮气，产生爆破力，同时已剥离单元与相邻未剥离单元之间存在应力，以上因素造成未剥离区域薄膜的破裂及破裂的无规则延伸，导致激光剥离后薄膜破裂严重，器件成品率差。解决这个问题常用的方法(如图1)是先将蓝宝石衬底100上的外延层分隔成若干单元，然后再接合到叠层金属层130上的支撑衬底140上后进行激光剥离，由于每个单元的外延薄膜110是分离的，可以避免外延薄膜110破裂的延伸，但由于未提供气体释放的通道，同时未解决已剥离单元与相邻未剥离单元之间存在的应力问题，因此已剥离区域造成相邻未剥离单元薄膜边缘破损仍然存在，导致剥离后GaN基单元薄膜完整性不佳，器件成品率仍然较低。
发明内容
为解决上述激光剥离蓝宝石衬底存在的单元GaN基外延薄膜边缘破损的问题，本发明创新地提出一种完整性GaN基外延薄膜的制备方法，包括步骤：
1)在蓝宝石衬底上依次生长N型GaN基半导体层、活性层和P型GaN基半导体层，构成GaN基外延薄膜；
2)以周期性切割GaN基外延薄膜并延伸至蓝宝石衬底的方法形成预置通道，预置通道的深度是：10微米≤深度≤100微米；
3)将以蓝宝石作为生长衬底的GaN基外延薄膜黏结到支撑基板上；
4)减薄蓝宝石衬底直至裸露出预置通道；
5)激光剥离蓝宝石衬底。
在本发明方法中，步骤2)结合步骤4)是本发明方法的创新之处，通过步骤2)在单元光斑边缘区域预置通道，一方面减小GaN基外延薄膜与蓝宝石生长衬底之间的应力，相应地减小与支撑基板黏结的应力，特别是采用晶片键合方式将GaN基薄膜转移到支撑基板上，可以大幅降低应力导致的GaN外延晶片或支撑基板的破裂；另一方面再通过步骤4)自然裸露出预置通道，提供作为后续激光剥离蓝宝石衬底过程的气体释放通道；并且实现相邻光斑区域的蓝宝石及其外延薄膜的绝对分离，即被单元切割后的蓝宝石衬底，其单元区域面积比设定的激光剥离光斑的尺寸小，即每个单元的蓝宝石衬底可以被独立剥离，以上两方面解决了激光剥离过程单元光斑边缘GaN基薄膜的破损问题。
在本发明方法中，切割单元的大小可以根据器件的实际尺寸设定，也可以包含若干个器件单元，但必须小于激光剥离设备工作时设定的激光光斑面积；形成预置通道的方式采用激光划片的方法；黏结到支撑基板上的方式选用晶圆键合、熔融键合或电镀金属衬底；减薄蓝宝石衬底后剩余蓝宝石的厚度是：10微米≤厚度≤100微米。
本发明方法的有益效果是：通过在单元光斑边缘区域预置通道，一方面，可以大幅降低利用共晶键合转移基板过程应力导致的GaN外延晶片或支撑基板的破裂；另一方面，转移基板后再通过减薄蓝宝石衬底自然裸露出预置通道，提供作为激光剥离过程的气体释放通道，同时实现相邻光斑区域的蓝宝石衬底及其外延薄膜的绝对分离，每个剥离单元之间完全独立，不存在应力的影响，解决了单元GaN基薄膜边缘的破损问题，即可以保证蓝宝石衬底激光剥离后GaN基薄膜的完整性，提高GaN基薄膜器件的成品率。
附图说明
图1是是常用的激光剥离蓝宝石衬底的结构示意图；
图2a至图2f是本发明优选实施例的一种完整性GaN基外延薄膜制备过程的截面示意图；
图3和图4是本发明优选实施例的一种完整性GaN基外延薄膜制备过程分别对应图2d和图2e的俯视图；
附图标识如下：
100：蓝宝石衬底
110：GaN基LED外延层
120：预置通道
130：叠层金属
140：支撑基板
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
一种完整性GaN基外延薄膜的制备方法，其制备步骤依次如下：
如图2a所示，在一蓝宝石衬底100上采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)依次外延生长N型GaN基半导体层、活性层和P型GaN基半导体层，构成GaN基LED外延层110；
如图2b所示，利用激光划片机(波长355nm)从GaN基外延层110划开并延伸至蓝宝石衬底100，划片以正交(X-Y轴)方式进行，周期为3mm×3mm，与设定的激光剥离光斑尺寸大小相近，激光划片的深度为30微米，即形成预置通道120，其平面俯视情况如图3所示；
如图2c所示，在GaN基LED外延层110上采用电子束蒸发或者溅射等方法制作叠层金属130，材料为Ag/Ti/Pt/Au，厚度100/500/50/50nm，分别用作反射接触层、阻挡层、黏附层、浸润层，在切割道的侧壁上也部分悬挂上此叠层金属，后续在薄膜器件制备中，可根据将要制造的器件尺寸，将此侧壁通过干法或湿法蚀刻去除；
如图2d所示，在叠层金属层130上采用电镀方法制作一厚Cu层作为支撑基板140，厚度为100微米；
如图2e所示，采用机械化学腐蚀方法将蓝宝石衬底100减薄，至暴露出预置通道120，剩余蓝宝石厚度20微米，其平面俯视情况如图4所示；
如图2f所示，采用准分子激光剥离机进行衬底剥离，激光波长248nm，能量密度控制在800～1000mJ/cm2，光斑尺寸定义为3.01mm×3.01mm，即相邻光斑之间设置10微米宽度的光斑重叠，外延片整片进行扫描辐照后，剥离去除蓝宝石衬底100；
经过上述步骤后，可以在图2f所示的基础上以通用的芯片工艺继续进行并完成薄膜GaN基LED器件的制作，本发明方法可将器件加工成1mm×1mm或其它小于3mm×3mm尺寸的薄膜器件。
Claims (3)
1.一种完整性GaN基外延薄膜的制备方法，包括步骤：
1)在蓝宝石衬底上依次生长N型GaN基半导体层、活性层和P型GaN基半导体层，构成GaN基外延薄膜；
2)以周期性切割GaN基外延薄膜并延伸至蓝宝石衬底的方法形成预置通道，预置通道的深度是：10微米≤深度≤100微米；
3)将以蓝宝石作为生长衬底的GaN基外延薄膜黏结到支撑基板上；
4)减薄蓝宝石衬底直至裸露出预置通道；
5)激光剥离蓝宝石衬底。
2.根据权利要求1所述的一种完整性GaN基外延薄膜的制备方法，形成预置通道的方式采用激光划片的方法。
3.根据权利要求1所述的一种完整性GaN基外延薄膜的制备方法，黏结到支撑基板上的方式选用晶圆键合或熔融键合。
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