CN103579471B - 一种带有防止金属扩散保护层的复合衬底 - Google Patents
一种带有防止金属扩散保护层的复合衬底 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种带有防止金属扩散保护层的复合衬底，包括一熔点大于1000℃的导热导电层和位于该导热导电层上的GaN单晶层，至少在复合衬底的侧壁包裹有防止金属扩散的保护层。本发明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，且大幅降低了成本，同时有效避免了金属材料在MOCVD高温生长时的扩散挥发给实验设备带来的污染问题。
Description
技术领域
本发明涉及用于GaN外延生长的衬底，特别涉及一种带有防止金属扩散保护层的高效复合衬底。
背景技术
以GaN和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或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/cmK，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，可以很好地提高外延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可以直接用于生长GaN外延片的高效复合衬底，既要兼顾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，且要大幅降低了成本，同时有效避免金属材料在MOCVD高温生长时的扩散挥发给实验设备带来的污染问题。
本发明用于GaN生长的复合衬底，包括一导热导电层和位于该导热导电层上的GaN单晶层，其特征在于，至少在复合衬底的侧壁包裹有防止金属扩散的保护层。
本发明的复合衬底包含至少两层材料构成的衬底主体以及一层未完全包裹衬底主体(需要露出用于GaN生长的GaN单晶层表面)的防止金属扩散的保护层。如图1所示，该复合衬底首先包括一层导热导电层2，在该导热导电衬底上键合一层GaN单晶1，另包含一层未完全包裹的外部防止金属扩散保护层3。
上述导热导电层厚度为10微米～3000微米，优选为50微米～400微米。该导热导电层所选材料需满足以下特征：(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、两种或两种以上金属与Cu的合金，如WCu合金、MoCu合金以及NiCu合金等等材料。该导热导电材料还可以为Si晶体、SiC晶体或AlSi晶体等。
在导热导电层上的GaN层厚度为0.1微米～100微米，优选1微米～20微米。GaN层以单晶形式存在。
该导热导电材料与GaN晶体之间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。也可以是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，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。
本发明的复合衬底具有未完全包裹的外部防止金属扩散的保护层结构设计。该保护层材料的选取有以下几个要求：第一，该材料需可承受1100℃以内不分解、不熔化；第二，该材料不可使用金属，不能具有挥发性。其优选材料为SiO2、Si3N4、SiC、GaN或AlN等。该保护层的厚度为20纳米～5微米，优选为100纳米～2微米。该保护层设计为不完全包裹方式，其包裹方式主要有以下六种：
第一种.该保护层3只包裹复合衬底的侧壁，如图2所示；
第二种.该保护层3既包裹复合衬底侧壁，同时包裹到GaN层1表面边缘1-10mm宽的区域，优选包裹GaN层1表面边缘1-5mm宽的区域，如图3所示；
第三种.该保护层3既包裹复合衬底侧壁，同时包裹到导热导电层2底面边缘1-10mm宽的区域，优选包裹导热导电层2底面边缘1-5mm宽的区域，如图4所示；
第四种.该保护层3既包裹复合衬底侧壁，同时包裹到GaN层1表面边缘及导热导电层2底面边缘1-10mm宽的区域，优选包裹GaN层1表面边缘和导热导电层2底面边缘1-5mm宽的区域，如图5所示；
第五种.该保护层3既包裹复合衬底侧壁，同时包裹导热导电层2全部底面，如图1所示；
第六种.该保护层3既包裹复合衬底侧壁，同时包裹导热导电层2全部底面以及GaN层表面边缘1-10mm宽的区域，其中该区域宽度优选为1-5mm，如图6所示。
该防止金属扩散保护层设计尤为重要。本发明所述的复合衬底的主体为多层结构，至少包括GaN层和导热导电层双层结构，它们之间通过键合层连接。如前所述，本发明所使用的导热导电层优选材料均为金属材料，其中包括金属W，金属Ni，金属Mo，金属Pd，金属Au，金属Cr等，或其合金。同样，键合层使用的材料也多为AuAu键合，或金属W、Pd或Ni等高温金属键合。这些金属材料中，有些金属材料，尤其是金，在高温下是扩散性很强的元素。GaN外延片外延需要在高精密的金属有机气相外延设备(MOCVD)设备中进行。而这些金属扩散会引起设备反应腔室污染，从而损坏设备，给复合衬底应用带来很大的困难。因此，防止金属高温扩散的外部保护层设计尤为重要。
选择一定厚度的保护层可以有效防止复合衬底在高温时的金属成分扩散。本发明中的前四种保护设计方案主要用来防止导热导电层选取的金属材料扩散性质不强，而键合层的金属材料扩散严重引起的问题。第五种和第六种方案主要用来防止导热导电层选取的金属材料及键合层的金属材料均扩散严重引起问题。而第二种、第四种及第六种保护层结构中针对GaN表面部分保护的设计，主要是为了防止生长过程中，GaN边缘破裂的问题。
进一步的，该复合衬底内还可具有一反射层，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层之间的键合层靠近GaN层一端(即键合层与GaN层之间)，如图7所示；也可以是位于GaN层内，如图8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9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。
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10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～50μm，优选200nm～10μm。图10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(熔点在1000℃以上)的，折射率与GaN不同的材料制作而成的，例如以SiO2、SiN等能够通过晶体方式生长或镀膜方式生长的材料形成周期性结构，嵌于GaN单晶层内。由于这些材料和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。
该反射层设计对于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。通常在其上外延的发光器件，有源层发光会向360度出射，如图11所示。若没有该反射层设计，而该发光材料近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衬底材料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，然而，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。两一方面，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，在其衬底生长的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。
再次，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为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厚度，价格远远低于GaN单晶衬底，因此具有更广阔的应用前景。
最后，保护层的使用有效避免了金属材料的导热导电层、键合层和/或反射层在MOCVD高温生长时的金属扩散挥发给实验设备带来的污染问题。
附图说明
图1是本发明复合衬底的结构示意图。
图2是复合衬底侧壁包裹防止金属扩散保护层的结构示意图。
图3是复合衬底侧壁及部分表面包裹防止金属扩散保护层的结构示意图。
图4是复合衬底侧壁及部分底面包裹防止金属扩散保护层的结构示意图。
图5是复合衬底侧壁及部分表面和底面包裹防止金属扩散保护层的结构示意图。
图6是复合衬底侧壁及部分表面及整体底面包裹防止金属扩散保护层的结构示意图。
图7是反射层位于复合衬底键合层靠近GaN一端的结构示意图。
图8是反射层位于复合衬底GaN层内的结构示意图。
图9是反射层光栅或光子晶格周期性结构示意图。
图10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11是LED有源层发光立体出光角以及表面出光光锥的示意图。
图12是实施例1制作GaN层内具有反射层结构且侧壁具有保护层的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13是实施例1第四步通过502胶粘接Si衬底及激光剥离蓝宝石衬底的步骤示意图。
图14是实施例1第五步高温键合以及Si衬底高温脱落步骤示意图。
图15是实施例2制备的GaN/MoCu复合衬底结构示意图。
图16是实施例3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，并包覆了保护层的GaN/MoCu复合衬底的结构示意图。
图17是实施例4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18是实施例5制备的GaN/SiC复合衬底结构示意图。
图19是实施例6制备的GaN/AlSi复合衬底结构示意图。
图20是实施例7制备的GaN/WCu复合衬底结构示意图。
图中：
1-GaN层，2-导热导电层，3-保护层，4-键合层，5-反射层，5’-反射层图形结构，6-蓝宝石衬底，7-Si衬底，8-SiC单晶衬底，9-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6，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1。
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5’，如图12(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，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12(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7上，使用Si衬底7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，转移及剥离过程如图13所示，得到的位于Si衬底上的具有反射层结构的GaN层结构如图12(c)所示。
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，如图14所示。
第六步，使用PECVD技术将该衬底的正面、反面以及侧面均生长厚度达到500纳米的SiO2薄膜保护层，然后使用光刻胶将衬底侧壁保护，使用BOE溶液刻蚀掉衬底GaN表面以及底面的SiO2薄膜，只留下侧壁保护部分。
最后通过表面清洗可以得到如图12(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2，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单晶键合在一起。该键合层4Au厚度为2微米。该衬底具有500nm厚SiO2侧面保护层3，该保护层设计如发明内容所述第一种设计方案。在GaN层1靠近键合层4约4微米处包括一层反射层图形结构5’。该图形结构如图12所示，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2：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12(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12(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。制备过程如图13所示，制备产品如图12(c)所示。
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/WCu复合衬底的连接会自动分离。
第六步，使用PECVD技术将该衬底的正面反面以及侧面均生长厚度达到2微米的Si3N4薄膜保护层，然后使用光刻胶将衬底侧壁及GaN表面边缘5毫米范围保护，使用BOE溶液刻蚀掉衬底GaN表面其余部分以及整个底面的Si3N4薄膜，只留下侧壁及GaN表面边缘5毫米部分。
最后通过表面清洗可以得到如图15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2，Mo和Cu的质量比为20％比80％。通过AuAu键合和一层10微米厚的GaN单晶1键合在一起。该键合层4Au厚度为2微米。该衬底具有2微米厚侧面及部分表面Si3N4保护层3，该保护层设计如发明内容所述第二种设计方案。在GaN层1靠近键合层4约4微米处包括一层反射层图形结构5’。该图形结构为周期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3：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，参见图13。
第三步，在Si衬底上的GaN单晶的GaN面蒸镀200nmPd金属作为反射层5，如图16(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，键合工艺参见图14。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。
第五步，使用PECVD技术将该衬底的正面反面以及侧面均生长厚度达到50微米的Si3N4薄膜保护层，然后使用光刻胶将衬底侧壁及MoCu衬底底面边缘5毫米范围保护，使用BOE溶液刻蚀掉衬底GaN表面其余部分以及整个底面的Si3N4薄膜，只留下侧壁及MoCu衬底底面边缘5毫米部分。
最后通过表面清洗可以得到如图16(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2，Mo和Cu的质量比为20％比80％。通过NiNi键合和一层4微米厚的GaN单晶1键合在一起。该键合层4Ni厚度为4微米。该衬底具有50纳米厚侧面及部分底面Si3N4保护层3，该保护层设计如发明内容所述第三种设计方案。在GaN层1靠近键合层4处包括一层Pd金属反射层5。
实施例4：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5’，如图17(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17(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17(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。
第七步，使用PECVD技术将该衬底的正面反面以及侧面均生长厚度达到5微米的SiO2薄膜保护层，然后使用光刻胶将衬底侧壁及GaN表面和Si衬底底面边缘5毫米范围保护，使用BOE溶液刻蚀掉衬底GaN表面和Si衬底底面其余部分以及整个底面的SiO2薄膜，只留下侧壁及GaN表面和Si衬底底面边缘5毫米部分。
最后通过表面清洗可以得到如图17(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7，通过范德瓦尔兹力键合和一层50微米厚的GaN单晶1键合在一起。该衬底具有5微米厚侧面及部分GaN表面和Si衬底底面SiO2保护层3，该保护层设计如发明内容所述第四种设计方案。在GaN层1靠近键合面4微米处包括一层反射层图形结构5’。该图形结构为周期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5：SiC衬底PdPd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，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12(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12(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，如图13所示。
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。第六步，使用PECVD技术将该衬底的正面反面以及侧面均生长厚度达到500纳米的SiO2薄膜保护层，然后使用光刻胶将衬底侧壁和SiC衬底全部底面保护，使用BOE溶液刻蚀掉衬底GaN表面的SiO2薄膜，只留下侧壁和SiC衬底全部底面部分。
最后通过表面清洗可以得到如图18所示的复合衬底，该衬底包括一层200微米厚的SiC单晶衬底8，通过PdPd键合和一层10微米厚的GaN单晶1键合在一起。该键合层4Pd厚度为2微米。该衬底具有500纳米厚侧面及全部底面SiO2保护层3，该保护层设计如发明内容所述第五种设计方案。在GaN层1靠近键合层4约4微米处包括一层反射层图形结构5’。该图形结构为周期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6：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，参见图17(a)。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，参见图17(b)。
第五步，在上述的蓝宝石/GaN单晶的GaN面和200微米厚的A1Si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。
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。
第七步，使用PECVD技术将该衬底的正面反面以及侧面均生长厚度达到500纳米的SiO2薄膜保护层，然后使用光刻胶将衬底侧壁、AlSi衬底全部底面以及GaN表面边缘2毫米范围保护，使用BOE溶液刻蚀掉衬底部分GaN表面的SiO2薄膜，只留下侧壁AlSi衬底全部底面以及GaN表面边缘2毫米部分。
最后通过表面清洗可以得到如图19所示的复合衬底，该衬底包括一层200微米厚的AlSi单晶衬底9，Al组分为30％，Si组分为70％。通过AuAu键合和一层10微米厚的GaN单晶1键合在一起。该键合层4Au厚度为4微米。该衬底具有500纳米厚侧面及全部底面以及GaN表面边缘2毫米SiO2保护层3，该保护层设计如发明内容所述第六种设计方案。在GaN层靠近键合层4约4微米处包括一层反射层图形结构5’。该图形结构为周期3微米，高度1微米，底径2微米的圆柱形SiO2图形层结构。
实施例7：WCu金属衬底AuAu键合GaN层的无反射层复合衬底
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10微米。
第三步，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。
第四步，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。
第五步，使用PECVD技术将该衬底的正面反面以及侧面均生长厚度达到500纳米的SiO2薄膜保护层，然后使用光刻胶将衬底侧壁、WCu衬底全部底面以及GaN表面边缘2毫米范围保护，使用BOE溶液刻蚀掉衬底部分GaN表面的SiO2薄膜，只留下侧壁WCu衬底全部底面以及GaN表面边缘2毫米部分。
最后通过表面清洗可以得到如图20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2，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1键合在一起。该键合层4Au厚度为2微米。该衬底具有500纳米厚侧面及全部底面以及GaN表面边缘2毫米SiO2保护层3，该保护层设计如发明内容所述第六种设计方案。
Claims (9)
1.一种用于GaN生长的复合衬底，包括一导热导电层和位于该导热导电层上的GaN单晶层，其中所述导热导电层的熔点大于1000℃，其特征在于，至少在复合衬底的侧壁包裹有防止金属扩散的保护层，所述保护层的材料为非金属，不具有挥发性，且在1100℃以内不分解也不熔化；所述导热导电层与所述GaN单晶层之间的键合方式为刚性的范德瓦尔兹力的键合或柔性介质键合；若为所述刚性的范德瓦尔兹力的键合，则所述导热导电层为金属材料；若为所述柔性介质键合，则所述导热导电层和/或柔性介质键合层为金属材料。
2.如权利要求1所述的复合衬底，其特征在于，所述保护层的材料为SiO2、Si3N4、SiC、GaN或AlN。
3.如权利要求1或2所述的复合衬底，其特征在于，所述保护层包裹区域为下列六种之一：1)仅包裹复合衬底的侧壁；2)包裹复合衬底的侧壁和所述GaN单晶层表面边缘1-10mm宽的区域；3)包裹复合衬底的侧壁和所述导热导电层底面边缘1-10mm宽的区域；4)包裹复合衬底的侧壁，以及所述GaN单晶层表面边缘1-10mm宽的区域和所述导热导电层底面边缘1-10mm宽的区域；5)包裹复合衬底的侧壁和所述导热导电层的全部底面；6)包裹复合衬底的侧壁，以及所述导热导电层的全部底面和所述GaN单晶层层表面边缘1-10mm宽的区域。
4.如权利要求1或2所述的复合衬底，其特征在于，所述保护层的厚度为20纳米～5微米。
5.如权利要求1或2所述的复合衬底，其特征在于，所述导热导电层的厚度为10微米～3000微米；所述GaN单晶层的厚度为0.1微米～100微米。
6.如权利要求1或2所述的复合衬底，其特征在于，所述导热导电层的材料选自金属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。
7.如权利要求1或2所述的复合衬底，其特征在于，所述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。
8.如权利要求7所述的复合衬底，其特征在于，所述反射层是位于GaN单晶层底面的金属反射层，或者是位于GaN单晶层的内部或底部的具有光栅或光子晶格结构的周期性结构层。
9.如权利要求1或2所述的复合衬底，其特征在于，所述导热导电层上依次是键合层、反射层和GaN单晶层。
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