CN105514231A - 一种用于GaN生长的低应力状态复合衬底 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于GaN生长的低应力状态复合衬底,包括一熔点大于1000℃的导热导电衬底、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制备的应力补偿层。其中GaN外延片与导热导电衬底是用高温扩散键合技术键合在一起的。本发明制备的复合衬底，既兼顾以往转移实现的复合衬底具备的同质外延及可直接制备垂直结构器件的优点，又具有低应力状态和高温稳定性，能有效提高后续的GaN外延生长及芯片制备的质量。

Description

一种用于GaN生长的低应力状态复合衬底

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，特别涉及一种用于GaN生长的低应力状态且高温稳定的复合衬底。

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、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。

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：(1)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℃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。

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。

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。已有专利(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，但目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℃以下较低温度键合，高温稳定性较差，在后续1000℃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

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，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。

本发明一种用于GaN生长的低应力状态复合衬底，包括一导热导电衬底及位于该衬底上的高熔点导热导电键合介质层和GaN单晶外延层，且在导热导电衬底背面制备了用于抵消应力的应力补偿层。

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。

上述导热导电键合介质层的厚度为10纳米至100微米，优选为500纳米至20微米；导热导电衬底的厚度为10微米至3000微米，优选为50微米至1000微米；应力补偿层的厚度为0.1微米至300微米，优选为10微米至100微米。

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℃，且无剧烈扩散现象；(2)具备导热导电性能。

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，可选择GaN、SiN_x等氮化物材料，或者是钼(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。

按以上要求，该导热导电键合介质层材料，可以选择钼(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。

按以上要求，该导热导电转移衬底材料，可以选择钼(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。

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。

上述衬底转移工艺中所使用GaN外延层的厚度为1微米至100微米，优选为3微米至50微米，且GaN以单晶的形式存在。

上述应力补偿层，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，制备在导热导电衬底的背面。

上述导热导电键合介质层，则利用磁控溅射或真空热蒸发或湿法工艺，制备在GaN外延膜和导热导电衬底的表面。

上述导热导电衬底与GaN单晶外延层之间，通过导热导电键合介质层，使用高温扩散键合方法进行连接。在温度≥900℃，压力100公斤力/平方英寸至4吨/平方英寸的条件下，通过导热导电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，如图2所示。

本发明一种用于GaN生长的低应力状态复合衬底，其中包括省去应力补偿层结构的较小应力状态复合衬底，例如，权衡性能和成本而省去应力补偿层结构，只使用高温扩散键合技术实现用于GaN生长的高温下稳定且较小残余应力复合衬底(如图3所示)，也当属于本专利包括的范围。

本发明所述的复合衬底，既具备可用于GaN同质外延和制备垂直结构LED芯片的优势，又结合了高温扩散键合和应力补偿技术的高温稳定、低应力状态的特点，因此具备许多独特的优势：

(1)本发明所述复合衬底，具有一层GaN，可实现GaN的同质外延，提高外延生长质量，且其导热导电性能较好，可直接用于制备垂直结构LED器件。从而有效地解决了蓝宝石基GaN衬底导热导电性能较差，无法制备垂直结构LED，材料利用率低，异质外延质量较差，以及Si衬底和SiC衬底上外延生长的工艺复杂、成本高昂等问题。

(2)使用高温扩散键合技术实现GaN外延膜与导热导电衬底连接，在其升降温过程中键合介质层和转移衬底的扩散及相变等已全完成，在后续外延的高温条件下，键合介质层和转移衬底不会再产生变化(如，相变、化学反应、物理扩散、剥落等)，即扩散键合技术获得的复合衬底具有非常优异的高温稳定性，从而能显著改善GaN同质外延的质量。

(3)使用高温扩散键合技术，极大扩展了可供选择的键合介质层材料的选择范围，一些化学活性较小、粘附性较差的高熔点金属或高温合金材料可作为介质层，在非常小的键合压力就能获得高强度稳定的连接，因此，很适用于实现GaN向Si等脆性衬底的转移。

(4)高温扩散键合时所需要的压力非常小，因此施加的纵向应力显著减小，通过调控键合后的降温过程可以起到退火消除应力的作用，故而能有效减小基片内的残余应力。

(5)应力补偿层的引入则能抵消转移到导热导电衬底上的GaN外延膜内的大部分应力，使复合衬底处于较低的应力状态，抑制基片翘曲及外延膜折皱、裂纹的形成，获得高性能的GaN复合衬底，对后续外延质量的改善非常有益。

(6)结合高温扩散键合和应力补偿技术，最终得到高温稳定且处于低应力状态的GaN复合衬底，能够很好的适应后续的在高温下GaN的同质外延和芯片制备工艺。

附图说明

图1是一种用于GaN生长的低应力状态复合衬底的结构示意图。

图2是本发明一种用于GaN生长的低应力状态复合衬底的制备方法示意图。

图3是一种不含应力补偿层的用于GaN生长且残余应力较小的复合衬底的结构示意图。

图4是实施例1.以CuMo作导热导电衬底、使用Ni和导电Agpaste分别作为应力补偿层和键合介质层得到用于GaN生长的低应力状态复合衬底的制备流程图。其中，(a)是在CuMo导热导电衬底上沉积应力补偿层的示意图；(b)是使用旋涂工艺制备导电Agpaste作为键合介质层的示意图；(c)是使用高温扩散键合方法键合GaN外延层和导热导电衬底的示意图；(d)是使用激光剥离技术去除蓝宝石衬底的示意图；(e)是最终获得的以CuMo作导热导电衬底、使用Ni和导电Agpaste分别作为应力补偿层和键合介质层的复合衬底结构示意图。

图5是实施例2.以Si作导热导电衬底、使用Au/Pd和Ti/Pd分别作为应力补偿层和键合介质层得到用于GaN生长的低应力状态复合衬底的制备流程图。其中，(a)使用UV厌氧胶将GaN外延层转移到蓝宝石临时衬底的示意图；(b)是在Si作导热导电衬底上沉积Au/Pd双层结构应力补偿层的示意图；(c)是使用磁控溅射制备Ti/Pd作为键合介质层的示意图；(d)是使用高温扩散键合方法将GaN外延层和导热导电衬底进行键合后，剥掉蓝宝石的示意图；(e)是最终获得的以Si衬底作导热导电衬底、使用Au/Pd和Ti/Pd分别作为应力补偿层和键合介质层的复合衬底结构示意图。

图6是实施例3.以AlSi作导热导电衬底、使用SiN_x和Au分别作为应力补偿层和键合介质层得到用于GaN生长的低应力状态复合衬底的制备流程图。

图7是实施例4.以CuW作导热导电衬底、使用GaN和Pd分别作为应力补偿层和键合介质层、以ZnO作为牺牲释放层得到用于GaN生长的低应力状态复合衬底的制备流程图。

图8是实例5.省去应力补偿层的制备工序，以W作导热导电衬底，高温合金浆料作为扩散键合介质层得到用于GaN生长的高温稳定且残余应力较小复合衬底的制备流程图。其中，(a)是使用旋涂工艺制备高温合金浆料作为键合介质层的示意图；(b)是使用高温扩散键合方法键合GaN外延层和导热导电衬底的示意图；(c)是使用激光剥离技术去除蓝宝石衬底的示意图；(d)是最终获得的不含应力补偿层的W衬底高温合金浆料键合的复合衬底结构示意图。

具体实施方式

下面参考本发明的附图，详细说明一种用于GaN生长的低应力状态复合衬底。首先应当说明，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：用Ni作为应力补偿层、导电Agpaste键合CuMo金属衬底和GaN外延层,得到用于GaN生长的低应力状态复合衬底，具体制备方法如下:

(1)在蓝宝石衬底上外延生长GaN单晶层：在2英寸430微米厚的平板蓝宝石衬底上，先使用MOCVD技术外延生长4微米厚的GaN单晶层，再在HVPE中生长加厚GaN层厚度至15微米。

(2)在CuMo金属衬底的背面使用磁控溅射沉积厚度为500纳米的Ni薄层，作为应力补偿层，如图4(a)所示。

(3)在上述的蓝宝石基GaN复合衬底的GaN面和300微米厚的CuMo衬底正面，分别旋转涂布层10微米左右的导电Agpaste，作为键合介质层，如图4(b)所示，然后在温度1100℃，压力为1.5T下，进行30分钟的高温扩散键合，实现GaN外延层与CuMo金属衬底的键合，如图4(c)所示。

(4)采用激光剥离技术，去除蓝宝石衬底，对所获得的金属复合衬底进行盐酸、丙酮等表面清洗工艺，则得到导电Agpaste键合、器件结构为GaN/AgPaste/CuMo/Ni的复合衬底，如图4(d)和4(e)所示。

(5)该复合衬底包含一层300微米厚的CuMo衬底，其中Mo和Cu的质量百分比分别为20％比80％，通过一厚度可调的导电Agpaste键合介质层与15微米厚的GaN单晶外延层键合在一起，并使用Ni作为应力补偿层抵消衬底内的大部分残余应力，最终所得到的复合衬底具有良好的高温稳定性和低应力状态，适用于GaN同质外延生长。

实施例2：用Au/Pd作为应力补偿层、Ti/Pd键合Si衬底和胶粘转移的GaN外延层，得到镓极性面朝外的用于GaN生长的低应力状态复合衬底，具体制备方法如下：

(1)制备胶粘转移的蓝宝石基GaN复合衬底：在2英寸430微米厚的平板蓝宝石衬底上，先使用MOCVD技术外延生长4微米厚的GaN单晶层，接着在HVPE中生长加厚GaN层厚度至15微米，然后使用UV厌氧胶将该GaN外延膜粘接到2英寸430微米厚蓝宝石临时衬底上，新的蓝宝石衬底作为转移支撑衬底，之后使用激光剥离技术将原外延蓝宝石衬底去除，即得到粘接在新蓝宝石衬底上的GaN单晶层，如图5a)所示。

(2)在Si衬底的背面，使用磁控溅射制备3微米的Au层和10微米的Pd层，作为应力补偿层。

(3)在粘接在蓝宝石衬底上的GaN单晶的GaN面和300微米厚的Si衬底正面，分别使用磁控溅射制备50纳米的Ti层和500纳米的Pd层，作为导热导电键合介质层，然后在温度1000℃，压力为2.5T下，进行20分钟的高温扩散键合，实现GaN外延层与Si衬底的键合。

(4)在键合过程中，UV厌氧胶在高温下碳化，蓝宝石衬底从GaN外延膜表面自动脱落，对所获得的复合衬底进行盐酸、丙酮等表面清洗工艺，则得到Ti/Pd键合、器件结构为GaN/Ti/Pd/Pd/Ti/Si/Au/Pd的复合衬底，如图5所示。

(5)该复合衬底包含一层300微米厚的Si衬底，通过一厚度可调的Ti/Pd键合介质层与15微米厚的GaN单晶外延层键合在一起，并使用Au/Pd作为应力补偿层抵消衬底内的大部分残余应力,所得到的复合衬底具有良好的高温稳定性和低应力状态，适用于GaN同质外延生长。此外，由于GaN外延层经过了胶粘和Ti/Pd金属介质两次翻转，最终得到的是镓极性面朝外的GaN复合衬底，更加有利于提高GaN外延质量。

实施例3：用SiN_x作为应力补偿层、AuAu键合AlSi金属衬底和GaN外延层得到用于GaN生长的低应力状态复合衬底，具体工艺步骤如下(如图6所示)：

(1)在蓝宝石衬底上外延生长GaN单晶层：在2英寸430微米厚的平板蓝宝石衬底上，先使用MOCVD技术外延生长4微米厚的GaN单晶层，再在HVPE中生长加厚GaN层厚度至15微米。

(2)在AlSi金属衬底的背面使用等离子体增强化学气相沉积制备厚度为5微米的SiN_x薄层，作为应力补偿层。

(3)在上述的蓝宝石基GaN复合衬底的GaN面，使用磁控溅射制备1微米厚的Au导电键合介质层，然后在温度950℃，压力为2T下，进行20分钟的高温扩散键合，实现GaN外延层与AlSi金属衬底的键合。

(4)采用激光剥离技术，去除蓝宝石衬底，对所获得的金属复合衬底进行盐酸、丙酮等表面清洗工艺，则得到AuAu键合、器件结构为GaN/Au/AlSi/SiN_x的复合衬底。

(5)该复合衬底包含一层150微米厚的AlSi衬底，其中Al的组分为30％，Si的组分为70％，通过一厚度可调的Au键合介质层与15微米厚的GaN单晶外延层键合在一起，并使用SiN_x作为应力补偿层抵消衬底内的大部分残余应力，最终所得到的复合衬底具有良好的高温稳定性和低应力状态，适用于GaN同质外延生长。

实施例4：用GaN作为应力补偿层、Pd键合CuW衬底和GaN外延层，得到用于GaN生长的低应力状态复合衬底，具体制备方法如下(如图7所示)：

(1)制备ZnO作为牺牲释放层的蓝宝石基GaN复合衬底：在2英寸430微米厚的平板蓝宝石衬底上，先使用磁控溅射技术沉积ZnO牺牲释放层，再在MOCVD中外延生长4微米厚的GaN单晶层，接着在HVPE中生长加厚GaN层厚度至15微米。

(2)在200微米厚CuW衬底的背面，使用HVPE技术外延15微米的GaN多日层，作为应力补偿层。

(3)在CuW衬底的正面，使用磁控溅射制备1000纳米的Pd层，作为导热导电键合介质层，然后在温度1200℃，压力为3.5T下，进行20分钟的高温扩散键合，实现GaN外延层与CuW衬底的键合。

(4)采用化学剥离技术，即使用化学试剂腐蚀ZnO牺牲释放层，从而剥离蓝宝石衬底，对所获得的复合衬底进行盐酸、丙酮等表面清洗工艺，得到PdPd键合、器件结构为GaN/Pd/CuW/GaN的复合衬底。

(5)该复合衬底包含一层200微米厚的CuW衬底，其中W和Cu的质量百分比分别为20％比80％，通过一厚度可调的Pd键合介质层与15微米厚的GaN单晶外延层键合在一起，并使用GaN作为应力补偿层抵消衬底内的大部分残余应力，最终所得到的复合衬底具有良好的高温稳定性和低应力状态，适用于GaN同质外延生长。

实施例5：权衡性能和成本而省去应力补偿层结构，只使用高温合金浆料(NiCrSiB)键合W金属衬底和GaN外延层，得到无应力补偿层且残余应力较小的复合衬底：

(1)蓝宝石衬底上外延生长GaN单晶层：在2英寸430微米厚的平板蓝宝石衬底上，先使用MOCVD技术外延生长4微米厚的GaN单晶层，接着在HVPE中生长加厚GaN层厚度至15微米。

(2)在上述的蓝宝石基GaN复合衬底的GaN面和150微米厚的W衬底表面，分别旋转涂布一层厚度为5微米的NiCrSiB高温合金浆料，作为导电键合介质层，如图8(a)所示，然后在温度1200℃，压力为2T下，进行20分钟的高温扩散键合，实现GaN外延层与W金属衬底的键合，如图8(b)所示。

(3)采用激光剥离技术去除蓝宝石衬底，对所获得的复合衬底进行盐酸、丙酮等表面清洗工艺，则得到NiCrSiB高温合金浆料键合、器件结构为GaN/NiCrSiB/NiCrSiB/W的复合衬底，如图8(c)所示。

(4)该复合衬底包含一层150微米厚的W衬底，其中W的百分比含量≥99.95％，通过一厚度可调的NiCrSiB高温合金浆料层与15微米厚的GaN单晶外延层键合在一起,最终得到的复合衬底在高温下稳定且残余应力较小，可用于GaN同质外延生长，如图8(d)所示。

Claims (7)

1.一种用于GaN生长的低应力状态复合衬底,其特征在于，包括导热导电衬底、位于该衬底上的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制备的应力补偿层。

2.根据权利要求1所述的一种用于GaN生长的低应力状态复合衬底，其特征在于，所述应力补偿层材料熔点高于1000℃且具有导热导电性能，可以是GaN、SiN_x等氮化物材料，或者是钼(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。

3.根据权利要求1所述的一种用于GaN生长的低应力状态复合衬底，其特征在于，所述导热导电键合介质层材料熔点高于1000℃且具有导热导电性能的，可以是钼(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。

4.根据权利要求1所述的一种用于GaN生长的低应力状态复合衬底，其特征在于，所述导热导电衬底材料熔点高于1000℃且具有导热导电性能的，可以是钼(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。

5.根据权利要求1所述的一种用于GaN生长的低应力状态复合衬底，其特征在于，所述GaN外延层的厚度为1微米至100微米，优选为3微米至50微米；所述应力补偿层的厚度为0.1微米至300微米，优选为10微米至100微米；所述导热导电键合介质层的厚度为10纳米至100微米，优选为500纳米至20微米；所述导热导电转移衬底的厚度为10微米至3000微米，优选为50微米至1000微米。

6.根据权利要求1所述的一种用于GaN生长的低应力状态复合衬底，其特征在于，所述导热导电衬底和GaN单晶层，是通过导热导电键合介质层，使用高温扩散键合技术键合在一起。

7.根据权利要求1所述的一种用于GaN生长的低应力状态复合衬底，其特征在于，其中包括省去应力补偿层结构的较小应力状态复合衬底。