一種含有擴(kuò)散阻擋層的GaN基復(fù)合襯底的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種含有擴(kuò)散阻擋層的GaN基復(fù)合襯底。
【背景技術(shù)】
[0002]寬禁帶GaN基半導(dǎo)體材料具有優(yōu)異的光電特性，已被廣泛應(yīng)用于制作發(fā)光二極管、激光器、紫外探測器及高溫、高頻、高功率電子器件，且能應(yīng)用于制備航空航天所需高端微電子器件，如高迀移率晶體管(HEMT)以及異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(HFET)，已經(jīng)成為了國際光電子領(lǐng)域的研宄熱點(diǎn)。
[0003]由于GaN體單晶的制備非常困難，大尺寸單晶GaN難以直接獲得，且價格昂貴，GaN材料體系的外延生長主要是基于大失配的異質(zhì)外延技術(shù)。目前，業(yè)界常用的是在穩(wěn)定性較好價格相對低廉的藍(lán)寶石襯底上采用兩步生長法外延GaN材料，這種基于緩沖層的異質(zhì)外延技術(shù)取得了巨大的成功，其中藍(lán)光、綠光LED已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化，但是藍(lán)寶石基GaN復(fù)合襯底已表現(xiàn)出較大的局限性，問題主要體現(xiàn)在:(I)藍(lán)寶石是絕緣材料，導(dǎo)致相關(guān)器件無法實(shí)現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)，只能采用同側(cè)臺階電極結(jié)構(gòu)，電流為側(cè)向注入，致使流過有源層的電流不均勻，導(dǎo)致電流簇?fù)硇?yīng)，降低了材料利用率，同時增加了器件制備中光刻和刻蝕工藝，顯著增加成本；(2)藍(lán)寶石的導(dǎo)熱性能不好，在1000°C時熱導(dǎo)率約為0.25W/cmK，散熱問題突出，影響了 GaN基器件的電學(xué)、光學(xué)特性及長程工作可靠性，并限制了其在高溫和大功率器件上的應(yīng)用；(3)藍(lán)寶石硬度較高，且藍(lán)寶石晶格和GaN晶格間存在一個30°的夾角，所以不易解理，不能通過解理的方法得到GaN基器件的腔面。
[0004]硅襯底具有導(dǎo)熱導(dǎo)電性能優(yōu)異、成本較低，易于實(shí)現(xiàn)大尺寸和集成等優(yōu)點(diǎn)，成為近幾年GaN基LED領(lǐng)域的重要研宄課題之一，然而硅與GaN間的晶格失配和熱失配嚴(yán)重，目前硅襯底上生長GaN外延層的技術(shù)還未成熟，復(fù)合襯底中位錯密度較高，甚至出現(xiàn)龜裂和裂紋。碳化硅是外延GaN的理想襯底，它與GaN間的晶格失配和熱失配較小，且具備良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能，可極大簡化制作工藝，但碳化硅襯底的價格昂貴，且外延層與襯底間存在粘附性等問題，不宜進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。
[0005]隨著研宄的深入，人們越來越意識到同質(zhì)外延是獲得高性能GaN襯底的最佳選擇。鑒于GaN單晶襯底的高昂價格，已經(jīng)有一部分研宄機(jī)構(gòu)開始關(guān)注介質(zhì)鍵合和激光剝離相結(jié)合的技術(shù)，將GaN外延層轉(zhuǎn)移到高熱導(dǎo)率高電導(dǎo)率的襯底上，以消除藍(lán)寶石襯底的不利影響。然而，在襯底轉(zhuǎn)移、外延芯片結(jié)構(gòu)及芯片制備工藝過程中均涉及高溫過程，轉(zhuǎn)移襯底材料、鍵合介質(zhì)材料及GaN基外延薄膜三者間會產(chǎn)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，將對轉(zhuǎn)移襯底產(chǎn)生回熔而破壞界面，形成鼓泡、褶皺及微裂紋，甚至退鍵合，顯著降低外延層晶體質(zhì)量。此夕卜，工藝過程中轉(zhuǎn)移襯底材料、鍵合介質(zhì)材料及GaN基外延薄膜三者間的原子擴(kuò)散過于劇烈時，也會導(dǎo)致鍵合介質(zhì)層疏松，鍵合強(qiáng)度下降，并對GaN基薄膜形成嚴(yán)重?fù)诫s，明顯增大襯底和所制備芯片中漏電流，影響所獲得GaN基復(fù)合襯底及其上制備芯片的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本實(shí)用新型提供了如圖1所示的一種含有擴(kuò)散阻擋層的GaN基復(fù)合襯底，包括[導(dǎo)熱導(dǎo)電]轉(zhuǎn)移襯底1、位于該轉(zhuǎn)移襯底I上的擴(kuò)散阻擋層2，及擴(kuò)散阻擋層2上的[導(dǎo)熱導(dǎo)電]鍵合介質(zhì)層3和[轉(zhuǎn)移后的]GaN基外延薄膜4。本實(shí)用新型采用介質(zhì)鍵合和激光剝離技術(shù)實(shí)現(xiàn)GaN基復(fù)合襯底，具有適用于GaN同質(zhì)外延及可直接制備垂直結(jié)構(gòu)LED器件的優(yōu)點(diǎn)，簡化工藝，降低成本，其中使用擴(kuò)散阻擋層又能有效抑制襯底轉(zhuǎn)移、外延芯片結(jié)構(gòu)及芯片制備工藝過程中襯底材料、鍵合介質(zhì)材料及GaN基薄膜三者間劇烈的化學(xué)反應(yīng)和原子擴(kuò)散，從而避免鼓泡、褶皺、微裂紋的產(chǎn)生，減少雜質(zhì)原子對GaN的摻雜，降低復(fù)合襯底和芯片中的漏電流，從而提尚GaN基復(fù)合襯底及所制備芯片的性能。
[0007]所述轉(zhuǎn)移后的GaN基外延薄膜4的厚度為I微米至100微米，優(yōu)選為3微米至50微米；所述導(dǎo)熱導(dǎo)電鍵合介質(zhì)層3的厚度為10納米至100微米，優(yōu)選為500納米至20微米；所述擴(kuò)散阻擋層2的厚度為I納米至20微米，優(yōu)選為10納米至I微米；所述導(dǎo)熱導(dǎo)電襯底I的厚度為10微米至3000微米，優(yōu)選為50微米至1000微米。
[0008]所述擴(kuò)散阻擋層2，其材料可以是A1203、A1N、ZnO、MgO、Si02、La203、Υ203ψ的一種，或者是W、N1、Pt、Mo等高恪點(diǎn)金屬中的一種單質(zhì)金屬或是一種以上金屬的合金。
[0009]所述擴(kuò)散阻擋層2，可以是單層或多層結(jié)構(gòu)，其位置可以位于轉(zhuǎn)移襯底I與鍵合介質(zhì)層3之間，或者是鍵合介質(zhì)層3與GaN基外延薄膜4之間，或者上面所述兩側(cè)都有擴(kuò)散阻擋層，或者是在鍵合介質(zhì)層中含有一層材料作為擴(kuò)散阻擋層。
[0010]所述擴(kuò)散阻擋層2，可用多種不同方法制備，如原子層沉積、分子束外延、有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積等，也包括沉積擴(kuò)散阻擋層后的退火處理等后處理工藝。
[0011 ] 所述[導(dǎo)熱導(dǎo)電]鍵合介質(zhì)層3和[導(dǎo)熱導(dǎo)電]轉(zhuǎn)移襯底I，均要求具有以下幾個特性:(1)耐高溫，熔點(diǎn)超過1000°c，且在所述高溫下無劇烈擴(kuò)散現(xiàn)象；(2)具備導(dǎo)熱導(dǎo)電性會K。
[0012]所述[導(dǎo)熱導(dǎo)電]鍵合介質(zhì)層3，其材料熔點(diǎn)高于1000°C且具有導(dǎo)熱導(dǎo)電性能的，可以選擇鉬(Mo)、鈦(Ti)、鈀(Pd)、金(Au)、銅(Cu)、鎢(W)、鎳(Ni)、鉻(Cr)中的一種單質(zhì)金屬或一種以上金屬的合金，或者是樹脂基體和導(dǎo)電粒子銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、鋁(Al)、鋅(Zn)、鐵(Fe)、鎳(Ni)、石墨(C)中的一種或一種以上元素構(gòu)成的導(dǎo)電聚合物，或者是以上一種或一種以上導(dǎo)電粒子的的微粒與粘合劑、溶劑、助劑所組成的導(dǎo)電漿料，或者是硅酸鹽基高溫導(dǎo)電膠(HSQ)，或者是鎳(Ni)、鉻(Cr)、硅(Si)、硼(B)等金屬形成的高溫合金漿料；
[0013]所述[導(dǎo)熱導(dǎo)電]鍵合介質(zhì)層3，可以是單層或多層結(jié)構(gòu)，可利用磁控濺射或真空熱蒸發(fā)或濕法工藝制備。
[0014]所述[導(dǎo)熱導(dǎo)電]轉(zhuǎn)移襯底1，其材料熔點(diǎn)高于1000°C且具有導(dǎo)熱導(dǎo)電性能的，可以選擇鉬(Mo)、鈦(Ti)、鈀(Pd)、銅(Cu)、鎢(W)、鎳(Ni)、鉻(Cr)中的一種單質(zhì)金屬或一種以上金屬的合金，或者是硅(Si)晶體、碳化硅(SiC)晶體或AlSi晶體。
[0015]所述GaN基外延薄膜4，可以是GaN薄膜、AlN薄膜、InN薄膜或者是其中二者、三者的合金薄膜。
[0016]在所述[導(dǎo)熱導(dǎo)電]轉(zhuǎn)移襯底I與GaN基外延薄膜4之間，是通過[導(dǎo)熱導(dǎo)電]鍵合介質(zhì)層3的擴(kuò)散，將[轉(zhuǎn)移前的]GaN基外延薄膜41和[導(dǎo)熱導(dǎo)電]轉(zhuǎn)移襯底I的正面，進(jìn)行緊密鍵合；其擴(kuò)散鍵合條件為:溫度多(TC、壓力100公斤力/平方英寸至4噸/平方英寸。
[0017]本實(shí)用新型一種含有擴(kuò)散阻擋層的GaN基復(fù)合襯底，與相對傳統(tǒng)的襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)實(shí)現(xiàn)的GaN基復(fù)合襯底相比，具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢:
[0018]I)擴(kuò)散阻擋層能有效減小襯底轉(zhuǎn)移、外延芯片結(jié)構(gòu)和芯片制備工藝過程中轉(zhuǎn)移襯底材料、鍵合介質(zhì)層材料及GaN基外延薄膜三者之間的化學(xué)反應(yīng)，避免對襯底產(chǎn)生回熔而破壞