CN103305909A - 一种用于GaN生长的复合衬底的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于GaN生长的复合衬底的制备方法。先在蓝宝石衬底上生长GaN单晶外延层，然后将该GaN外延片通过环氧类快干胶粘结到临时衬底上，激光剥离蓝宝石衬底，再将临时衬底上的GaN外延片与一导热导电衬底键合在一起，临时衬底脱落，得到镓极性面朝上的GaN层与导热导电衬底键合在一起的复合衬底。若直接将蓝宝石衬底上的GaN层与导热导电衬底键合在一起，激光剥离蓝宝石衬底，则得到氮极性面朝上的GaN外延片与导热导电衬底键合在一起的复合衬底。本发明制备的复合衬底既兼顾了同质外延，提高了晶体质量，又可直接制备垂直结构LED，且只使用了薄层GaN单晶，大幅降低了成本，使其在应用中极具优势。

Description

一种用于GaN生长的复合衬底的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件和金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术领域，特别涉及用于生长GaN外延片的复合衬底的制备方法。 
背景技术
以GaN以及InGaN、AlGaN为主的Ⅲ/Ⅴ氮化物是近年来备受关注的半导体材料，其1.9-6.2eV连续可变的直接带隙，优异的物理、化学稳定性，高饱和电子迁移率等等特性，使其成为激光器、发光二极管等等光电子器件的最优选材料。 
然而，对于现在的GaN基半导体材料器件来讲，由于缺少GaN衬底，通常GaN基LED的外延膜主要是生长在蓝宝石衬底、SiC、Si等衬底上。到目前为止，GaN材料体系的外延生长技术，基本是基于大失配的异质外延技术。应用最为广泛，专利保护最多的，主要是蓝宝石衬底的异质外延技术。其主要问题是：1.由于GaN和蓝宝石之间有较大的晶格失配和热应力失配，由此造成109cm-2的失配位错，严重影响晶体质量，降低LED的发光效率和使用寿命；2.蓝宝石是绝缘体，常温下电阻率大于1011Ωcm，这样就无法制作垂直结构的器件，通常只能在外延层上表面制作N型和P型电极，因此使有效发光面积减小，同时增加了器件制备中的光刻和刻蚀工艺过程，使材料的利用率降低；3.蓝宝石的导热性能不好，在100℃热导率约为0.25W/cm K，这对于GaN基器件的性能影响很大。特别是在大面积大功率器件中，散热问题非常突出；4.在GaN-基激光器(LD)的制作中，由于蓝宝石硬度很高，并且蓝宝石晶格与GaN晶格之间存在一个30度的夹角，所以难于获得InGaNLD外延层的解理面，也就不能通过解理的方法得到InGaN-LD的腔面。 
而对于SiC衬底来说，虽然其晶体常数与GaN晶格常数最为相近，晶格失配较小，但同样是异质外延，同样存在失配位错及热失配位错，且SiC衬底造价昂贵，在GaN基LED器件的应用中存在明显困难。Si衬底也是近些年开始研究的GaN基外延衬底，然而Si衬底与GaN的晶格失配度相较蓝宝石衬底还要大，并且Si衬底为立方晶向，GaN为六方晶向，这更增加了在其上外延GaN材料的困难，目前在Si衬底生长的GaN层面临开裂等严重问题，生长厚度很难超过4微米。 
因此，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。近期，人们开始开发GaN单晶衬底制备技术，GaN单晶衬底的出现，使得GaN外延回归了同质外延，可以很好的提高外延GaN晶体的晶体质量，并且，GaN晶体较好的导热导电特性，使得使用GaN衬底外延的LED外延片可以直接制备为垂直结构LED器件，从而提高了器件在大电流注入下的性能。然而，GaN单晶衬底高昂的价格直接制约了其在LED器件的应用。目前，一片2英寸GaN单晶衬底价格可以达到2000美金，而目前市场一片2英寸高功率LED外延片的价格不超过100美金，这样的巨大成本完全限制了GaN单晶衬底在LED市场的应用。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于生长GaN外延片的新型复合衬底及其制备方法，该复合衬底既要兼顾GaN外延所需要的同质外延要求，提高晶体质量，又可以直接制备垂直结构LED，且要降低了生产成本，使其能够投入实际应用。 
本发明提出的用于GaN生长的复合衬底，如图1所示，包括一导热导电层1和位于该导热导电层上的GaN单晶层2。 
上述导热导电层的厚度为10微米～3000微米，优选50微米～400微米。该导热导电层的材料需满足几个特征，(1)熔点超过1000℃，或在1000℃下可以基本保持固态；(2)具有较高的导热特性和导电特性。 
按以上要求，该导热导电层的材料可以选择一些单质金属或合金或准合金，例如金属W，金属Ni，金属Mo，金属Pd，金属Au，金属Cr等，或以上金属的任意两种或两种以上的合金，或以上一种或多种金属与Cu的合金，如WCu合金、MoCu合金以及NiCu合金等等材料。除了金属，该导热导电层的材料还可以为Si晶体、SiC晶体或AlSi晶体等。 
在导热导电层上的GaN层的厚度为0.1微米～100微米，优选1微米～50微米。GaN层以单晶形式存在。 
该导热导电层与GaN单晶层之间可以通过刚性或柔性键合方式连接。此键合若为刚性的范德瓦尔兹力的键合，则需要导热导电层材料的热胀系数与GaN相近，这里的相近是指热胀系数差别在10％以内，且导热导电材料和GaN晶体间没有任何介质。也可以通过柔性介质将导热导电层与GaN层键合在一起。若为柔性介质键合，则需要该介质拥有超过1000℃的熔点，并且具有一定延展性，可以弛豫应力，优选用厚度为0.5微米～5微米的AuAu键合，或金属W、Pd或Ni等高温金属键合。具有上述厚度的金属介质键合层，可以弛豫GaN和导热导电层之间由于热涨系数不同所带来的热失配应力，因此，使用柔性介质键合 方式，无需导热导电层的热胀系数与GaN相同和相近。 
进一步的，本发明复合衬底内还具有一反射层，该反射层位于GaN单晶层的内部、底部或底面，所述GaN单晶层的底面是指GaN单晶层与导热导电层连接的一面。该反射层可位于导热导电层与GaN层之间键合层靠近GaN层的一端(即键合层与GaN层之间)，如图2所示，也可以是位于GaN层内部或底部，如图3所示。若该反射层位于键合层靠近GaN层一端，则该反射层可以为金属反射层，如Pd，Cr等金属反射层。若该反射层位于GaN层内部或GaN层底部，该反射层可以是具有光栅或光子晶格结构的周期性或准周期性结构，如图4所示。 
所述光栅结构是指微米级的周期性结构，所述光子晶格结构是指纳米级的周期性结构，这些周期性结构可以是周期性的圆锥形突起或凹坑、圆台形突起或凹坑、圆柱形突起或凹坑、三角锥形突起或凹坑，或者是其他任意形状的周期性突起或凹坑。如图5所示，其中(a)显示了一种三角锥凹坑周期性结构，(b)显示了一种圆柱凹坑周期性结构。这种微米级或纳米级周期性结构的结构周期可以为10nm～50微米，优选200nm～10微米。图5中，w和d分别代表凹坑的最大宽度和深度，A代表结构周期，其中A＞w。 
作为反射层的微米级或纳米级周期性结构通常是由耐高温(熔点超过1000℃)的，能够以晶体方式生长的材料制作而成的，例如以SiO2、SiN等材料形成周期性结构，嵌于GaN单晶层内，这些材料和GaN折射率不同，从而形成有效的全反射界面，且周期性结构有效提高了界面的平均折射率。 
在一些情况下，位于GaN层底部的周期性结构并非由不同于GaN的材料形成，而仅仅是在GaN层底面形成的周期性图形，这样的周期性图形也能起到反射层的作用。 
该反射层对于以用本发明所述复合衬底外延生长的GaN基器件具有非常重要的作用。通常，在衬底上外延的发光器件，有源层发光会向360度出射，若没有该反射层设计，发光材料近40％射向导热导电层方向的光都会被衬底吸收而不能出射，因此，采用带有反射层设计的复合衬底了，可以将光提取效率提高至少30％以上。 
本发明所述复合衬底可以直接用于GaN外延片外延生长，并进而制备垂直结构LED器件。与传统技术相比，其有非常明显的优点。 
首先，对比现有技术的蓝宝石衬底生长。现今蓝宝石衬底是GaN外延片生长的最常用衬底，由于蓝宝石衬底不导电不导热，在蓝宝石衬底生长的GaN很难制备垂直结构LED器件，大多制备为平面结构LED，不利于散热，无法制备为高功率器件。另外，蓝宝石衬底 由于和GaN为异质衬底，GaN生长质量受到限制，无法制备高质量的GaN外延片。 
本发明的复合衬底相较蓝宝石衬底有明显优势。一方面，复合衬底有一层GaN层，因此，在复合衬底生长GaN外延片属于同质外延生长，可以明显提高生长GaN外延片的晶体质量，从而提高内量子效率。另一方面，复合衬底中导热导电层的使用，可以使利用复合衬底生长的GaN外延片直接按传统芯片工艺制备为垂直结构LED器件，而不受衬底无法导热导电的制约，更大限度提高了器件的效率。 
其次，相对于现有技术的Si衬底生长和SiC衬底生长。这两种衬底虽然由于其导热导电性，在其上生长的GaN外延片都可以直接制备垂直结构LED，但两者均为异质外延，不利于生长的GaN晶体质量提高。尤其是Si衬底，在其上生长的GaN外延需要插入多层AlGaN调节应力，且在其上生长的GaN厚度很难超过3-4微米。SiC衬底虽然和GaN晶体晶格常数较为相近，但由于SiC晶体本身制备非常困难，造价很高，所以很难被广泛应用在GaN基高功率LED器件。本发明所述复合衬底相对这两种衬底，主要优势体现在复合衬底属于同质外延生长，可以很好的提高GaN外延片的晶体质量，从而获得更广阔的应用。 
最后，相对于GaN单晶衬底而言，GaN单晶衬底为同质外延衬底，与本发明所述复合衬底同为同质外延，应用该两种衬底的外延生长可以大幅提高GaN晶体质量。但是，相较GaN单晶衬底高昂的造价，本发明所述复合衬底使用原材料更为廉价的导热导电材料和厚度仅为GaN单晶衬底四百分之一到四分之一的GaN层，价格远远低于GaN单晶衬底，因此具有更广阔的应用前景。 
为制备上述用于GaN生长的复合衬底，本发明提出了如下两种制备方法，分别用于制备镓极性面朝上和氮极性面朝上的复合衬底。 
第一种方法制备镓极性面朝上的复合衬底，包括如下步骤： 
1a)在蓝宝石衬底上生长GaN单晶外延层； 
1b)将生长在蓝宝石衬底上的GaN外延片通过环氧类快干胶粘结到一临时衬底上，然后通过激光剥离方法将蓝宝石衬底剥离掉； 
1c)将粘结在临时衬底上的GaN外延片与一熔点超过1000℃的导热导电衬底键合在一起，环氧类快干胶在键合过程中碳化，临时衬底脱落，通过表面清洗后，得到镓极性面朝上的GaN外延片与导热导电衬底键合在一起的复合衬底。 
上述步骤1a)中，GaN的生长方法可以使用本领域技术人员所熟知的MOCVD方法或HVPE方法，或者MOCVD方法和HVPE方法相结合的方式生长。通常是先使用MOCVD 方法后使用HVPE(氢化物气相外延)方法来生长GaN单晶。 
所述蓝宝石衬底可以是平板蓝宝石衬底或者图形化蓝宝石衬底。该图形化蓝宝石衬底是按照复合衬底中反射层的结构设计，利用本领域技术人员所熟知的光刻剥离方法在蓝宝石表面制备出微米级或纳米级的周期性结构图形而得到。对于使用图形化蓝宝石衬底生长并转移到临时衬底上的GaN单晶层，其蓝宝石衬底的图形在剥离时已成功转移到GaN层上，此图形即可以作为反射层使用。而对于使用平板蓝宝石衬底生长的GaN单晶层，可以通过下述两种方法之一制备反射层： 
I.在步骤1b)将GaN单晶层从蓝宝石衬底转移到临时衬底上后，利用本领域技术人员所熟知的蒸镀技术在GaN单晶表面蒸镀一金属反射层(厚度通常在1微米以内)，然后进行步骤1c)。在最终制得的镓极性面朝上的复合衬底中，该金属反射层位于GaN单晶层底面。 
II.在步骤1a)进行GaN外延生长的过程中，先生长一层GaN，然后在其上生长一层反射层材料，通过本领域技术人员所熟知的光刻及干法刻蚀的方法将这层反射层材料制备为微米级或纳米级的周期性结构(即反射层结构)，同时要求在这些结构的间隙处露出GaN表面，之后继续生长GaN单晶至所需厚度，然后进行步骤1b)。在最终制得的镓极性面朝上的复合衬底中，该反射层结构位于GaN层内部。 
上述方法II中，所述反射层材料要求其折射率与GaN有差异，熔点达到1000℃以上，可以使用晶体生长或镀膜方式生长，例如SiO2和SiN。SiO2层或SiN层可利用PECVD方法(等离子增强化学气相沉积法)生长，厚度在0.2微米～2微米。 
上述步骤1b)中所述环氧类快干胶例如502粘合剂；所述临时衬底例如金属临时衬底或Si单晶临时衬底。 
上述步骤1c)中键合方法可以采用刚性或柔性介质键合。所谓刚性键合就是在未蒸镀任何键合金属的情况下，通过范德瓦尔兹力，在温度500℃到900℃，压力3吨/平方英寸到10吨/平方英寸条件下，将粘结在临时衬底的GaN外延片直接范德瓦尔兹键合到导热导电衬底上。如前所述，刚性键合要求导热导电层衬底材料与GaN的热胀系数差别在10％以内，这样的衬底例如Si单晶衬底、SiC单晶衬底、AlSi晶体衬底等。 
所谓柔性介质键合即在待键合的表面蒸镀键合金属，然后在温度200℃到900℃，压力1吨/平方英寸到5吨/平方英寸条件下，将粘结在临时衬底上的GaN外延片与导热导电衬底键合在一起。柔性介质键合的键合层厚度优选在0.5微米～5微米，键合金属例如Au、W、 Pd和Ni等。 
第二种方法制备氮极性面朝上的复合衬底，包括如下步骤： 
2a)在蓝宝石衬底上生长GaN单晶外延层； 
2b)将生长在蓝宝石衬底上的外延片与一熔点超过1000℃的导热导电衬底键合在一起； 
2c)通过激光剥离方法将蓝宝石衬底剥离掉，得到氮极性面朝上的GaN外延片与导热导电衬底键合在一起的复合衬底。 
上述步骤2a)中，GaN的生长方法可以使用本领域技术人员所熟知的MOCVD方法或HVPE方法，或者MOCVD方法和HVPE方法相结合的方式生长。通常是先使用MOCVD方法后使用HVPE方法来生长GaN单晶。 
步骤2a)的GaN单晶外延层是生长在平板蓝宝石衬底上的，对于设计有反射层的复合衬底，在进行步骤2b)之前，可以通过下述两种方法之一制备反射层： 
A.利用本领域技术人员所熟知的蒸镀技术在步骤2a)制备的GaN单晶表面蒸镀一金属反射层(厚度通常在1微米以内)，然后进行步骤2b)。在最终制得的氮极性面朝上的复合衬底中，该金属反射层位于GaN单晶层底面。 
B.在步骤2a)进行GaN外延生长的过程中，先生长一层GaN，然后在其上生长一层反射层材料，通过本领域技术人员所熟知的光刻及干法刻蚀的方法将这层反射层材料制备为微米级或纳米级的周期性结构(即反射层结构)，同时要求在这些结构的间隙处露出GaN表面，之后继续生长GaN单晶至所需厚度，然后进行步骤2b)。 
在最终制得的氮极性面朝上的复合衬底中，该反射层结构位于GaN层内部。 
上述方法B中，所述反射层材料要求其折射率与GaN有差异，熔点达到1000℃以上，可以使用晶体生长或镀膜方式生长，例如SiO2和SiN。SiO2层或SiN层可利用PECVD方法(等离子增强化学气相沉积法)生长，厚度在0.2微米～2微米。 
上述步骤2b)中键合方法可以采用刚性或柔性介质键合。所谓刚性键合就是在未蒸镀任何键合金属的情况下，通过范德瓦尔兹力，在温度500℃到900℃，压力3吨/平方英寸到10吨/平方英寸下，将蓝宝石衬底上GaN外延片直接范德瓦尔兹键合到导热导电衬底上。如前所述，刚性键合要求导热导电层衬底材料与GaN的热胀系数差别在10％以内，这样的衬底例如Si单晶衬底、SiC单晶衬底、AlSi晶体衬底等。 
所谓柔性介质键合即在待键合的表面蒸镀键合金属，然后在200℃到900℃，压力1吨/平方英寸到5吨/平方英寸下，将蓝宝石衬底上的GaN外延片与导热导电衬底键合在一起。 柔性介质键合的键合层厚度优选在0.5微米～5微米，键合金属例如Au、W、Pd和Ni等。 
综上，本发明利用激光剥离技术、键合技术、微加工技术以及外延技术的方法制备一种新型的复合衬底，既兼顾了GaN外延所需要的同质外延，提高了晶体质量，又可以直接制备垂直结构LED，且因为只使用了薄层GaN单晶，大幅降低了成本，使其在现有GaN材料衬底中极具优势。 
附图说明
图1是本发明用于生长GaN的复合衬底的基本结构示意图。 
图2是反射层位于复合衬底键合层靠近GaN一端的复合衬底结构示意图。 
图3是反射层位于复合衬底GaN层内的复合衬底结构示意图。 
图4是反射层光栅或光子晶格周期性结构示意图。 
图5是反射层为三角锥凹坑(a)或圆柱凹坑(b)形状的周期性结构示意图。 
图6是实施例1第二步通过502胶粘接Si衬底及激光剥离蓝宝石衬底的步骤示意图。 
图7是实施例1第三步高温键合以及Si衬底高温脱落步骤示意图。 
图8是实施例2制作GaN层内具有反射层结构的GaN/WCu复合衬底的流程图，其中：(a)是第二步在4微米GaN/蓝宝石衬底的GaN面制备SiO2周期反射层的示意图；(b)是第三步制作反射层后利用HVPE技术继续生长GaN至GaN总厚度达到10微米的示意图；(c)是第四步加工后得到了位于Si衬底上的具有反射层结构的GaN层结构示意图；(d)是最后获得的GaN/WCu复合衬底的结构示意图。 
图9是实施例4制作具有金属反射层的GaN/MoCu复合衬底的流程图，其中：(a)是第三步在粘结于Si衬底上的GaN单晶层上蒸镀Pd金属反射层所得结构的示意图；(b)是通过NiNi键合获得具有Pd金属反射层的GaN/MoCu复合衬底的结构示意图。 
图10是实施例5制作Si衬底范德瓦尔兹键合GaN层的复合衬底的流程图，其中：(a)是第三步在GaN/蓝宝石衬底的GaN面制备SiO2圆柱形周期结构的示意图；(b)是第四步制作反射层后利用HVPE技术继续生长GaN至GaN总厚度达到50微米的示意图；(c)是第五步通过范德瓦尔兹键合形成蓝宝石/GaN/Si结构的示意图；(d)是第六步通过激光剥离获得GaN/Si复合衬底的示意图。 
图11是实施例7制作AlSi衬AuAu键合GaN层的复合衬底的流程图，其中：(a)是第三步在GaN/蓝宝石衬底的GaN面制备SiO2圆柱形周期结构的示意图；(b)是第四步制 作反射层后利用HVPE技术继续生长GaN至GaN总厚度达到10微米的示意图；(c)是第五步通过AuAu键合形成蓝宝石/GaN/AlSi结构的示意图；(d)是第六步通过激光剥离获得GaN/AlSi复合衬底的示意图。 
图12是本发明所制备的GaN单晶层与金属衬底键合在一起的复合衬底照片。 
图中： 
1—导热导电层，2—GaN层，3—键合层，4—反射层，4’—反射层图形结构，5—蓝宝石衬底，6—Si衬底，7—AlSi单晶衬底。 
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明进行详细描述，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改或改进，只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的范围之内。 
实施例1：WCu金属衬底AuAu键合GaN层的无反射层金属复合衬底 
第一步，使用2英寸430微米厚的平板蓝宝石衬底，先利用本领域技术人员所熟知的MOCVD技术生长4微米厚的GaN单晶外延片，接着使用本领域技术人员所熟知的HVPE技术生长GaN至GaN单晶总厚度达到10微米。 
第二步，将上述生长好的GaN单晶的GaN面使用502快干胶粘接到2英寸400微米厚的单晶Si衬底上，使用Si衬底做转移支撑衬底，然后通过本领域技术人员所熟知的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单晶，如图6所示。 
第三步，在Si衬底上的GaN单晶的GaN面和WCu合金衬底表面同时蒸镀1微米的Au，然后在300℃，压力5吨下，通过15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，Si衬底和GaN/WCu复合衬底的连接会自动分离。 
最后通过表面清洗可以得到GaN/WCu复合衬底，该衬底包括一层150微米厚的WCu合金金属衬底，W和Cu的质量比为15％比85％。WCu合金金属衬底通过AuAu键合和一层10微米厚的GaN单晶键合在一起，键合层Au厚度为2微米。 
实施例2：WCu金属衬底AuAu键合GaN层的金属复合衬底 
第一步，使用2英寸430微米厚的平板蓝宝石衬底，利用本领域技术人员所熟知的MOCVD技术生长4微米厚的GaN单晶外延片。 
第二步，利用PECVD技术在上述生长的GaN单晶表面生长一层1微米厚的SiO2薄膜， 并利用本领域技术人员所熟知的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2.5微米，高1微米的圆锥形周期结构，如图8(a)所示。圆锥图形间距处要露出GaN表面。这一周期性结构即可以作为反射层使用。 
第三步，在制备好反射层结构的上述GaN单晶表面继续使用本领域技术人员所熟知的HVPE技术生长GaN至GaN单晶总厚度达到10微米，如图8(b)所示。 
第四步，将上述生长好的GaN单晶的GaN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衬底做转移支撑衬底，再通过本领域技术人员所熟知的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单晶，见图8(c)。 
第五步，在Si衬底上的GaN单晶的GaN面和WCu合金衬底表面同时蒸镀1微米的Au，然后在300℃，压力5吨下，通过15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，Si衬底和GaN/WCu复合衬底的连接会自动分离(参见图7)。 
最后通过表面清洗可以得到如图8(d)所示的复合衬底，该衬底包括一层150微米厚的WCu合金金属衬底1，W和Cu的质量比为15％比85％。通过AuAu键合和一层10微米厚的GaN单晶层2键合在一起，键合层3的厚度为2微米。在GaN层2靠近键合层4微米处包括一层反射层图形结构4’，该图形为周期3微米，高度1微米，底径2.5微米的圆锥形SiO2图形层结构。 
实施例3：MoCu金属衬底AuAu键合GaN层的金属复合衬底 
第一步，使用2英寸430微米厚的平板蓝宝石衬底，利用本领域技术人员所熟知的MOCVD技术生长4微米厚的GaN单晶外延片。 
第二步，利用PECVD技术在上述生长的GaN单晶表面生长一层1微米厚的SiO2薄膜，并利用本领域技术人员所熟知的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2.5微米，高1微米的圆锥形周期结构，参见图8(a)。圆锥图形间距处要露出GaN表面。这一周期性结构即可以作为反射层使用。 
第三步，在制备好反射层结构的上述GaN单晶表面继续使用本领域技术人员所熟知的HVPE技术生长GaN至GaN单晶总厚度达到10微米，参见8(b)。 
第四步，将上述生长好的GaN单晶的GaN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衬底做转移支撑衬底，再通过本领域技术人员所熟知的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单晶，参见图8(c)。 
第五步，在Si衬底上的GaN单晶的GaN面和MoCu合金衬底表面同时蒸镀1微米的 Au，然后在300℃，压力5吨下，通过15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，Si衬底和GaN/MoCu复合衬底的连接会自动分离。 
最后通过表面清洗得到GaN/MoCu复合衬底，该衬底包括一层150微米厚的MoCu合金金属衬底，Mo和Cu的质量比为20％比80％。MoCu合金金属衬底通过AuAu键合和一层10微米厚的GaN单晶键合在一起，该键合层Au厚度为2微米。在GaN层靠近键合层4微米处包括一层反射层图形结构。该图形为周期3微米，高度1微米，底径2.5微米的圆锥形SiO2图形层结构。 
实施例4：MoCu金属衬底NiNi键合GaN层的金属复合衬底 
第一步，使用2英寸430微米厚的平板蓝宝石衬底，利用本领域技术人员所熟知的MOCVD技术生长4微米厚的GaN单晶外延片。 
第二步，将上述生长好的GaN单晶的GaN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衬底做转移支撑衬底，再通过本领域技术人员所熟知的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单晶。 
第三步，在Si衬底6上的GaN单晶层2的GaN面蒸镀200nm Pd金属作为反射层4，如图9(a)所示。 
第四步，将蒸镀好反射层的在Si衬底上的GaN单晶在反射层上和MoCu合金衬底表面同时蒸镀2微米的Ni，然后在800℃，压力15吨下，通过15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，Si衬底和GaN/MoCu复合衬底的连接会自动分离。 
最后通过表面清洗得到如图9(b)所示的复合衬底，该衬底包括一层150微米厚的MoCu合金金属衬底1，Mo和Cu的质量比为20％比80％。MoCu合金金属衬底1通过NiNi键合和一层4微米厚的GaN单晶层2键合在一起，该键合层3的厚度为4微米，在GaN层2靠近键合层3处包括一层Pd金属反射层4。 
实施例5：Si衬底范德瓦尔兹键合GaN层的复合衬底 
第一步，使用2英寸430微米厚的平板蓝宝石衬底，利用本领域技术人员所熟知的MOCVD技术生长4微米厚的GaN单晶外延片。 
第二步，将上述GaN单晶继续使用本领域技术人员所熟知的HVPE技术生长GaN至GaN单晶总厚度达到46微米。 
第三步，利用PECVD技术在上述生长的GaN单晶表面生长一层1微米厚的SiO2薄膜， 并利用本领域技术人员所熟知的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微米，高1微米的圆柱形周期结构，如图10(a)所示。圆柱图形间距处要露出GaN表面。这一周期性结构即可以作为反射层使用。 
第四步，将制备好反射层结构的上述GaN单晶继续使用HVPE技术生长GaN至GaN单晶总厚度达到50微米，如图10(b)所示。 
第五步，将上述制备好的具有反射层结构的GaN晶体与400微米厚的Si片通过900℃，20吨压力下，30分钟直接范德瓦尔兹键合粘结在一起，形成蓝宝石/GaN/Si这样的结构样品，如图10(c)所示。 
第六步，通过本领域技术人员所熟知的激光剥离技术将蓝宝石衬底剥离掉，只剩下GaN/Si键合的复合衬底结构，如图10(d)所示。 
最后通过表面清洗得到如图10(d)所示的复合衬底，该衬底包括一层400微米厚的Si单晶衬底6，通过范德瓦尔兹力键合和一层50微米厚的GaN单晶层2键合在一起。在GaN层2靠近键合面4微米处包括一层反射层图形结构4’，该反射层图形结构4’为周期3微米，高度1微米，下底底径2微米圆柱形SiO2图形层结构。 
实施例6：SiC衬底PdPd键合GaN层的金属复合衬底 
第一步，使用2英寸430微米厚的平板蓝宝石衬底，利用本领域技术人员所熟知的MOCVD技术生长4微米厚的GaN单晶外延片。 
第二步，利用PECVD技术在上述生长的GaN单晶表面生长一层1微米厚的SiO2薄膜，并利用本领域技术人员所熟知的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2.5微米，高1微米的圆锥形周期结构，参见图8(a)。圆锥图形间距处要露出GaN表面。这一周期性结构即可以作为反射层使用 
第三步，将制备好反射层结构的上述GaN单晶继续使用本领域技术人员所熟知的HVPE技术生长GaN至GaN单晶总厚度达到10微米，参见图8(b)。 
第四步，将上述生长好的GaN单晶的GaN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衬底做转移支撑衬底。再通过本领域技术人员所熟知的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单晶，参见图8(c)。 
第五步，在Si衬底上的GaN单晶的GaN面和200微米厚的SiC衬底表面同时蒸镀1微米的Pd。然后在800℃，压力8吨下，通过15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，Si衬底和GaN/SiC复合衬底的连接会自动分离。 
最后通过表面清洗可以得到结构如图8(d)所示的复合衬底，只是将实施例2的WCu合金金属衬底换为一层200微米厚的SiC单晶衬底，该SiC单晶衬底通过PdPd键合和一层10微米厚的GaN单晶键合在一起。该键合层Pd厚度为2微米。在GaN层靠近键合层4微米处包括一层反射层图形结构，反射层图形结构为周期3微米，高度1微米，底径2.5微米的圆锥形SiO2图形层结构。 
实施例7：AlSi衬底AuAu键合GaN层的复合衬底 
第一步，使用2英寸430微米厚的平板蓝宝石衬底，利用本领域技术人员所熟知的MOCVD技术生长6微米厚的GaN单晶外延片。 
第三步，利用PECVD技术在上述生长的GaN单晶表面生长一层1微米厚的SiO2薄膜，并利用本领域技术人员所熟知的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微米，高1微米的圆柱形周期结构，如图11(a)所示。圆柱图形间距处要露出GaN表面。这一周期性结构即可以作为反射层使用。 
第四步，将制备好反射层结构的上述GaN单晶继续使用本领域技术人员所熟知的HVPE技术生长GaN至GaN单晶总厚度达到10微米，如图11(b)所示。 
第五步，在上述的蓝宝石/GaN单晶的GaN面和200微米厚的AlSi衬底表面同时蒸镀1微米的Au。然后在300℃，压力5吨下，通过15分钟键合在一起，如图11(c)所示。 
第六步，通过本领域技术人员所熟知的激光剥离技术将蓝宝石衬底剥离掉，只剩下GaN/AlSi键合的复合衬底结构，如图11(d)所示。 
最后通过表面清洗可以得到如图11(d)所示的复合衬底，该衬底包括一层200微米厚的AlSi单晶衬底7，Al组分为30％，Si组分为70％。该AlSi单晶衬底7通过AuAu键合和一层10微米厚的GaN单晶层2键合在一起。键合层3的厚度为4微米。在GaN层2靠近键合层4微米处包括一层反射层图形结构4’。该反射层图形结构4’为周期3微米，底径2微米，高1微米的圆柱形SiO2图形层结构。 

Claims (12)

1.一种用于GaN生长的复合衬底的制备方法，包括如下步骤：
1a)在蓝宝石衬底上生长GaN单晶外延层；
1b)将生长在蓝宝石衬底上的GaN外延片通过环氧类快干胶粘结到一临时衬底上，然后通过激光剥离方法将蓝宝石衬底剥离掉；
1c)将粘结在临时衬底上的GaN外延片与一熔点超过1000℃的导热导电衬底键合在一起，环氧类快干胶在键合过程中碳化，临时衬底脱落，得到镓极性面朝上的GaN外延片与导热导电衬底键合在一起的复合衬底。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1a)在蓝宝石衬底上生长GaN单晶外延层，步骤1b)将GaN单晶外延层从蓝宝石衬底转移到临时衬底上，然后在GaN单晶表面蒸镀一金属反射层，再进行步骤1c)。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1a)进行GaN外延生长的过程中，先生长一层GaN，然后在其上生长一层反射层材料，通过光刻及干法刻蚀将这层反射层材料制备为微米级或纳米级的周期性结构，并要求在这些结构的间隙处露出GaN表面，之后继续生长GaN单晶至所需厚度，然后进行步骤1b)，其中所述反射层材料的折射率与GaN不同，熔点在1000℃以上。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述反射层材料是SiO2或SiN。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1a)中所述蓝宝石衬底是图形化蓝宝石衬底，该图形化蓝宝石衬底是按照复合衬底中反射层的结构设计，通过光刻剥离在蓝宝石表面制备出微米级或纳米级的周期性结构图形而得到。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1c)的键合方法为刚性键合或柔性介质键合，其中：刚性键合是在温度500℃到900℃，压力3吨/平方英寸到10吨/平方英寸条件下，将粘结在临时衬底的GaN外延片直接范德瓦尔兹键合到导热导电衬底上，刚性键合中的导热导电层衬底材料与GaN的热胀系数差别在10％以内；柔性介质键合是先在待键合的表面蒸镀键合金属，然后在温度200℃到900℃，压力1吨/平方英寸到5吨/平方英寸条件下，将粘结在临时衬底上的GaN外延片与导热导电衬底键合在一起。
7.一种用于GaN生长的复合衬底的制备方法，包括如下步骤：
2a)利用蓝宝石衬底生长GaN单晶外延层；
2b)将生长在蓝宝石衬底上的外延片与一熔点超过1000℃导热导电衬底键合在一起；
2c)通过激光剥离方法将蓝宝石衬底剥离掉，得到氮极性面朝上的GaN外延片与导热导电衬底键合在一起的复合衬底。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤2a)在蓝宝石衬底上生长GaN单晶外延层后，再在GaN单晶表面蒸镀一金属反射层，然后进行步骤2b)。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤2a)进行GaN外延生长的过程中，先生长一层GaN，然后在其上生长一层反射层材料，通过光刻及干法刻蚀将这层反射层材料制备为微米级或纳米级的周期性结构，并要求在这些结构的间隙处露出GaN表面，之后继续生长GaN单晶至所需厚度，然后进行步骤2b)，其中所述反射层材料的折射率与GaN不同，熔点在1000℃以上。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述反射层材料是SiO2或SiN。
11.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤2b)的键合方法为刚性键合或柔性介质键合，其中：刚性键合是在温度500℃到900℃，压力3吨/平方英寸到10吨/平方英寸条件下，将蓝宝石衬底上的GaN外延片直接范德瓦尔兹键合到导热导电衬底上，刚性键合中的导热导电层衬底材料与GaN的热胀系数差别在10％以内；柔性介质键合是先在待键合的表面蒸镀键合金属，然后在温度200℃到900℃，压力1吨/平方英寸到5吨/平方英寸条件下，将蓝宝石衬底上的GaN外延片与导热导电衬底键合在一起。
12.如权利要求1～11任一所述的制备方法，其特征在于，所述导热导电衬底的材料选自金属W、Ni、Mo、Pd、Au和Cr中一种或多种的合金，或者是这些金属中的一种或多种与Cu的合金，或者是Si晶体、SiC晶体或AlSi晶体。
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