CN102522318A - GaN基外延薄膜自分裂转移方法 - Google Patents

GaN基外延薄膜自分裂转移方法 Download PDF

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GaN基外延薄膜自分裂转移方法,涉及用于光电器件中的GaN基薄膜。先在GaN基外延薄膜上蒸镀或溅射一层或多层金属,使之成为欧姆接触层,其中加入高反射率金属起到反射镜作用,再利用光刻方法在金属表面上制作出图形化光刻胶;在样品表面没有光刻胶的部分电镀金属衬底,并采用化学法去除光刻胶;把样品键合到支撑衬底上;采用激光光源透过蓝宝石衬底辐照样品,依据激光剥离技术去除蓝宝石衬底,有电镀金属区域的GaN基薄膜则转移到电镀的厚金属衬底,无电镀金属区域的GaN基薄膜发生分裂形成碎片,结果使GaN基外延薄膜实现自分裂和转移。不仅可降低成本、简化工艺,而且可避免金属基板切割和解决因切割金属衬底而造成器件短路问题。

Description

GaN基外延薄膜自分裂转移方法
技术领域
本发明涉及用于光电器件中的GaN基薄膜,尤其是涉及一种用于外延生长在蓝宝石上的GaN基薄膜的自分裂转移方法。
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。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([1]D.A.Steigerwald,J.C.Bhat,D.Collins,et al.Illumination with solid state lightingtechnology[J].IEEE J.Selec.Topi.Quant.Electron.,2002,8(2):310-320)。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([2]X. Guo,E.Y.Schubert.Current crowding in GaN/InGaN light emitting diodes on insulating substrates[J].J.Appl.Phys.,2001,90:4191-4195)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Ni、Cu、Cr等具有良好导电、导热特性的金属衬底上是解决这一问题的重要方法之一([3]中国专利CN200410009840.0公开一种GaN基外延层的大面积、低功率激光剥离方法;[4]中国专利CN02113085.X公开一种激光剥离制备自支撑氮化镓衬底的方法;[5]中国专利CN200510095245.8公开一种改进的制备自支撑氮化镓衬底的激光剥离的方法)。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界面附近的很薄的一层GaN吸收,从而使GaN发生热分解生成金属Ga以及氮气(N2)。N2以气体形式挥发,Ga为液体,因而可以使蓝宝石和GaN厚膜分离,分离后残留在GaN上的Ga滴可以用稀酸腐蚀去掉([6]M.K.Kelly,O.Ambacher,R.Dimitrov,et al.Opticalprocess for lift off of group III-nitride films[J]Phys.Stat.Sol.(a),1997,159(1):R3-R4)。
使用电镀金属衬底进行GaN基薄膜转移后,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([7]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不仅可降低成本、简化工艺,而且可避免金属基板切割和解决因切割金属衬底而造成器件短路问题的GaN基外延薄膜自分裂转移方法。
本发明的技术方案是采用图形化电镀金属衬底技术、键合技术和激光剥离技术实现薄膜的自分裂转移。
本发明包括以下步骤:
1)先在GaN基外延薄膜上蒸镀或溅射一层或多层金属,使之成为欧姆接触层,其中加入高反射率金属起到反射镜作用,再利用光刻方法在金属表面上制作出图形化光刻胶;
2)在样品表面没有光刻胶的部分电镀金属衬底,并采用化学法去除光刻胶;
3)把样品键合到支撑衬底上;
4)采用激光光源透过蓝宝石衬底辐照样品,依据激光剥离技术去除蓝宝石衬底,有电镀金属区域的GaN基薄膜则转移到电镀的厚金属衬底,无电镀金属区域的GaN基薄膜发生分裂形成碎片,结果使GaN基外延薄膜实现自分裂和转移。
在步骤3)中,所述支撑衬底可选择石英或硅等衬底。
GaN基外延薄膜自分裂转移方法中,在键合时,键合介质的厚度远小于电镀金属层的厚度,以确保无电镀金属的区域在键合后也没有任何支撑介质。键合介质可选择液体状粘结剂,也可用薄的金属过渡层,例如,在电镀后的样品和新基板上分别蒸镀或溅射上单层或多层薄金属层作为键合介质,将蒸镀或溅射上金属键合介质的样品和新基板的金属面进行面对面贴合,放入键合机进行加温加压完成键合。
本发明提供了一种采用图形化电镀金属衬底技术、键合技术和激光剥离技术实现薄膜自分裂转移的方法,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的有效方法,并且降低了成本、简化了器件制备工艺流程。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。
附图说明
图1本发明图形化电镀镍衬底后样品的SEM照片。在图1中,标尺为100μm。
图2本发明图形化电镀镍衬底后样品侧面的SEM照片。在图2,标尺为100μm。
具体实施方式
下面详细地描述本发明的具体实施例,其中电镀厚金属以金属镍为例。
技术方案如下:
l)用标准清洗方法清洁蓝宝石衬底上生长的GaN基薄膜外延片表面,在外延片表面采用电子束蒸发技术蒸镀上Ni/Ag/Ti/Au(1nm/120nm/120nm/50nm),然后合金形成高反射率的欧姆接触层。
2)采用光刻的方法在上述合金表面制作出10μm厚的图形化光刻胶,即外延片的器件台面位置上没有光刻胶,而器件之间的沟槽位置上附着光刻胶。光刻的主要步骤包括甩胶、前烘、曝光、显影、清洗。
3)光刻后样品表面电镀厚金属作为新衬底。因为光刻胶具有一定的高度且不导电,所以最初金属只在台面位置无胶处沉积生长,而沟槽处没有电镀金属沉积,这样电镀的金属就呈现出了预计的图形化效果。随着电镀金属在台面位置上不断沉积生长,电镀金属的厚度不断增加。当电镀金属的厚度超过了光刻胶,光刻胶对金属侧向生长的阻挡作用消失,电镀金属会侧向延伸到光刻胶表面开始纵向、横向共同生长。如果沟槽不够宽,光刻胶两侧的镍基板将连接在一起而形成一个整体。因此,设计图形时要考虑沟槽的宽度,电镀镍的过程中需要控制电镀时间,使镍基板在厚度和图形化效果之间达到所需的配比,以免激光剥离时,无法实现自分裂效果。
4)把电镀后的样品键合到石英、硅等其它支撑衬底上。在器件位置的薄膜区域有电镀厚金属支撑,在沟槽位置的薄膜区域无电镀厚金属支撑。所述支撑衬底可选自石英、硅等衬底。
5)采用紫外波段的激光光源(如波长为248nm的KrF准分子激光)透过蓝宝石辐照样品,依据激光剥离技术去除蓝宝石,GaN基薄膜则转移到金属衬底上。激光辐照后,有电镀厚金属支撑的区域蓝宝石剥离后表面平坦,无电镀厚金属支撑的区域薄膜碎裂,从而使薄膜实现自动分裂。
6)在上述过程中,镍衬底电镀40μm后,剥离沟槽里的光刻胶。用于图形电镀的光刻版设计为台面大小300μm×300μm,沟槽宽度300μm。图1图形化电镀镍衬底后样品的SEM照片,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。图2图形化电镀镍衬底后样品侧面的SEM照片,可以清楚地观察到光刻胶表面上侧向生长的情况,电镀金属与样品表面之间留下一个光刻胶厚度的缝隙。这与其它的科研组报道的铜电镀情况相类似([8]R.H. Horng,C.E.Lee,S.C.Hsu,et al.High-power GaN light-emitting diodes with patterned copper substrates by electroplating[J].phys.stat.sol.(a),2004,201(12):2786-2790)。

Claims (2)

1.GaN基外延薄膜自分裂转移方法,其特征在于包括以下步骤:
1)先在GaN基外延薄膜上蒸镀或溅射一层或多层金属,使之成为欧姆接触层,其中加入高反射率金属起到反射镜作用,再利用光刻方法在金属表面上制作出图形化光刻胶;
2)在样品表面没有光刻胶的部分电镀金属衬底,并采用化学法去除光刻胶;
3)把样品键合到支撑衬底上;
4)采用激光光源透过蓝宝石衬底辐照样品,依据激光剥离技术去除蓝宝石衬底,有电镀金属区域的GaN基薄膜则转移到电镀的厚金属衬底,无电镀金属区域的GaN基薄膜发生分裂形成碎片,结果使GaN基外延薄膜实现自分裂和转移。
2.如权利要求1所述的GaN基外延薄膜自分裂转移方法,其特征在于在步骤3)中,所述支撑衬底为石英衬底或硅衬底。
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