一種帶有防止金屬擴散保護層的復合襯底的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種帶有防止金屬擴散保護層的復合襯底，包括一熔點大于1000℃的導熱導電層和位于該導熱導電層上的GaN單晶層，至少在復合襯底的側壁包裹有防止金屬擴散的保護層。本發(fā)明的復合襯底既兼顧了GaN外延所需要的同質(zhì)外延，提高了晶體質(zhì)量，又可以直接制備垂直結構LED，且大幅降低了成本，同時有效避免了金屬材料在MOCVD高溫生長時的擴散揮發(fā)給實驗設備帶來的污染問題。
【專利說明】一種帶有防止金屬擴散保護層的復合襯底
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及用于GaN外延生長的襯底，特別涉及一種帶有防止金屬擴散保護層的高效復合襯底。
【背景技術】
[0002]以GaN和InGaN、AlGaN為主的III/V氮化物是近年來備受關注的半導體材料，其
1.9-6.2eV連續(xù)可變的直接帶隙，優(yōu)異的物理、化學穩(wěn)定性，高飽和電子遷移率等等特性，使其成為激光器、發(fā)光二極管等等光電子器件的最優(yōu)選材料。
[0003]然而對于現(xiàn)在的GaN基半導體材料器件來講，由于缺少GaN襯底，通常GaN基LED的外延膜主要是生長在藍寶石襯底、SiC或Si等襯底上。到目前為止，GaN材料體系的外延生長技術，基本是基于大失配的異質(zhì)外延技術。應用最為廣泛，專利保護最多的，主要是藍寶石襯底的異質(zhì)外延技術。其主要問題是:1.由于GaN和藍寶石之間有較大的晶格失配和熱應力失配，由此造成IO9CnT2的失配位錯，嚴重影響晶體質(zhì)量，降低LED的發(fā)光效率和使用壽命；2.藍寶石是絕緣體，常溫下電阻率大于IO11Qcm,這樣就無法制作垂直結構的器件，通常只能在外延層上表面制作N型和P型電極。因此使有效發(fā)光面積減小，同時增加了器件制備中的光刻和刻蝕工藝過程，使材料的利用率降低；3.藍寶石的導熱性能不好，在100°C熱導率約為0.25ff/cmK,這對于GaN基器件的性能影響很大，特別是在大面積大功率器件中，散熱問題非常突出；4.在GaN-基激光器(LD)的制作中，由于藍寶石硬度很高，并且藍寶石晶格與GaN晶格之間存在一個30度的夾角，所以難于獲得InGaNLD外延層的解理面，也就不能通過解理的方法得到InGaN-LD的腔面。
[0004]而對于SiC襯底來說，雖然其晶體常數(shù)與GaN晶格常數(shù)最為相近，晶格失配較小，但同樣是異質(zhì)外延，同樣存在失配位錯及熱失配位錯，且SiC襯底造價昂貴,在GaN基LED器件的應用中存在明顯困難。Si襯底也是近些年開始研究的GaN基外延襯底，然而Si襯底與GaN的晶格失配度相較藍寶石襯底還要大，并且Si襯底為立方晶向，GaN為六方晶向，這更增加了在其上外延GaN材料的困難，目前在Si襯底生長的GaN層面臨開裂等嚴重問題，生長厚度很難超過4微米。
[0005]因此，對于晶體外延而言，無論從外延生長的理論上，還是半導體外延技術的發(fā)展歷史，都已經(jīng)證明，同質(zhì)外延是最佳選擇。近期，人們開始開發(fā)GaN單晶襯底制備技術，GaN單晶襯底的出現(xiàn)，使得GaN外延回歸了同質(zhì)外延，可以很好地提聞外延GaN晶體的晶體質(zhì)量，并且，GaN晶體較好的導熱導電特性，使得使用GaN襯底外延的LED外延片可以直接制備為垂直結構LED器件，從而提高了器件在大電流注入下的性能。然而，GaN單晶襯底高昂的價格直接制約了其在LED器件的應用。目前，一片2英寸GaN單晶襯底價格可以達到2000美金，而目前市場一片2英寸高功率LED外延片的價格不超過100美金，這樣的巨大成本完全限制了 GaN單晶襯底在LED市場的應用。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種可以直接用于生長GaN外延片的高效復合襯底，既要兼顧GaN外延所需要的同質(zhì)外延，提高晶體質(zhì)量，又可以直接制備垂直結構LED，且要大幅降低了成本，同時有效避免金屬材料在MOCVD高溫生長時的擴散揮發(fā)給實驗設備帶來的污染問題。
[0007]本發(fā)明用于GaN生長的復合襯底，包括一導熱導電層和位于該導熱導電層上的GaN單晶層，其特征在于，至少在復合襯底的側壁包裹有防止金屬擴散的保護層。
[0008]本發(fā)明的復合襯底包含至少兩層材料構成的襯底主體以及一層未完全包裹襯底主體(需要露出用于GaN生長的GaN單晶層表面)的防止金屬擴散的保護層。如圖1所示，該復合襯底首先包括一層導熱導電層2，在該導熱導電襯底上鍵合一層GaN單晶1，另包含一層未完全包裹的外部防止金屬擴散保護層3。
[0009]上述導熱導電層厚度為10微米?3000微米，優(yōu)選為50微米?400微米。該導熱導電層所選材料需滿足以下特征:(I)熔點超過1000°c，或在1000°C下可以基本保持固態(tài)；
(2)具有較高的導熱特性和導電特性。
[0010]按以上要求，該導熱導電層材料可以選擇一些單質(zhì)金屬或合金或準合金，例如金屬W,金屬Ni,金屬Mo,金屬Pd,金屬Au,金屬Cr等,或以上金屬的任意兩種或兩種以上的合金，或以上一種、兩種或兩種以上金屬與Cu的合金,如WCu合金、MoCu合金以及NiCu合金等等材料。該導熱導電材料還可以為Si晶體、SiC晶體或AlSi晶體等。
[0011]在導熱導電層上的GaN層厚度為0.1微米?100微米，優(yōu)選I微米?20微米。GaN層以單晶形式存在。
[0012]該導熱導電材料與GaN晶體之間通過剛性或柔性鍵合方式連接。此鍵合若為剛性的范德瓦爾茲力的鍵合，則需要導熱導電層材料的熱脹系數(shù)與GaN相近，這里的相近是指熱脹系數(shù)差別在10%以內(nèi)，且導熱導電材料和GaN晶體間沒有任何介質(zhì)。也可以是通過柔性介質(zhì)將導熱導電層與GaN層鍵合在一起。若為柔性介質(zhì)鍵合，則需要該介質(zhì)擁有超過1000°C的熔點，并且具有一定延展性，可以弛豫應力，優(yōu)選厚度為0.5微米?5微米的AuAu鍵合，或金屬W、Pd或Ni等高溫金屬鍵合。具有上述厚度的金屬介質(zhì)鍵合，可以弛豫GaN和導熱導電層之間由于熱漲系數(shù)不同所帶來的熱失配應力，因此，使用柔性介質(zhì)鍵合方式，無需導熱導電層的熱脹系數(shù)與GaN相同和相近。
[0013]本發(fā)明的復合襯底具有未完全包裹的外部防止金屬擴散的保護層結構設計。該保護層材料的選取有以下幾個要求:第一，該材料需可承受1100°c以內(nèi)不分解、不熔化；第二，該材料不可使用金屬，不能具有揮發(fā)性。其優(yōu)選材料為Si02、Si3N4、SiC、GaN或AlN等。該保護層的厚度為20納米?5微米，優(yōu)選為100納米?2微米。該保護層設計為不完全包裹方式，其包裹方式主要有以下六種:
[0014]第一種.該保護層3只包裹復合襯底的側壁，如圖2所示；
[0015]第二種.該保護層3既包裹復合襯底側壁，同時包裹到GaN層I表面邊緣1-1Omm寬的區(qū)域，優(yōu)選包裹GaN層I表面邊緣l_5mm寬的區(qū)域，如圖3所示；
[0016]第三種.該保護層3既包裹復合襯底側壁，同時包裹到導熱導電層2底面邊緣1-1Omm寬的區(qū)域，優(yōu)選包裹導熱導電層2底面邊緣l_5mm寬的區(qū)域，如圖4所示；
[0017]第四種.該保護層3既包裹復合襯底側壁，同時包裹到GaN層I表面邊緣及導熱導電層2底面邊緣1-1Omm寬的區(qū)域，優(yōu)選包裹GaN層I表面邊緣和導熱導電層2底面邊緣l-5mm寬的區(qū)域，如圖5所示；
[0018]第五種.該保護層3既包裹復合襯底側壁，同時包裹導熱導電層2全部底面，如圖1所示；
[0019]第六種.該保護層3既包裹復合襯底側壁，同時包裹導熱導電層2全部底面以及GaN層表面邊緣1-1Omm寬的區(qū)域，其中該區(qū)域?qū)挾葍?yōu)選為l_5mm，如圖6所示。
[0020]該防止金屬擴散保護層設計尤為重要。本發(fā)明所述的復合襯底的主體為多層結構，至少包括GaN層和導熱導電層雙層結構，它們之間通過鍵合層連接。如前所述，本發(fā)明所使用的導熱導電層優(yōu)選材料均為金屬材料，其中包括金屬W，金屬Ni，金屬Mo，金屬Pd，金屬Au,金屬Cr等,或其合金。同樣，鍵合層使用的材料也多為AuAu鍵合,或金屬W、Pd或Ni等高溫金屬鍵合。這些金屬材料中，有些金屬材料，尤其是金，在高溫下是擴散性很強的元素。GaN外延片外延需要在高精密的金屬有機氣相外延設備(MOCVD)設備中進行。而這些金屬擴散會引起設備反應腔室污染，從而損壞設備，給復合襯底應用帶來很大的困難。因此，防止金屬高溫擴散的外部保護層設計尤為重要。
[0021]選擇一定厚度的保護層可以有效防止復合襯底在高溫時的金屬成分擴散。本發(fā)明中的前四種保護設計方案主要用來防止導熱導電層選取的金屬材料擴散性質(zhì)不強，而鍵合層的金屬材料擴散嚴重引起的問題。第五種和第六種方案主要用來防止導熱導電層選取的金屬材料及鍵合層的金屬材料均擴散嚴重引起問題。而第二種、第四種及第六種保護層結構中針對GaN表面部分保護的設計，主要是為了防止生長過程中，GaN邊緣破裂的問題。
[0022]進一步的，該復合襯底內(nèi)還可具有一反射層，該反射層位于GaN單晶層的內(nèi)部、底部或底面，所述GaN單晶層的底面是指GaN單晶層與導熱導電層連接的一面。該反射層可位于導熱導電層與GaN層之間的鍵合層靠近GaN層一端(即鍵合層與GaN層之間)，如圖7所示；也可以是位于GaN層內(nèi)，如圖8所示。若該反射層位于鍵合層靠近GaN層一端，則該反射層可以為金屬反射層，如Pd，Cr等金屬反射層。若該反射層位于GaN層內(nèi)部或GaN層底部，該反射層可以是具有光柵或光子晶格結構的周期性或準周期性結構，如圖9所示。
[0023]所述光柵結構是指微米級的周期性結構，所述光子晶格結構是指納米級的周期性結構，這些周期性結構可以是周期性的圓錐形突起或凹坑、圓臺形突起或凹坑、圓柱形突起或凹坑、三角錐形突起或凹坑，或者是其他任意形狀的周期性突起或凹坑。如圖5所示，其中(a)顯示了一種三角錐凹坑周期性結構，(b)顯示了一種圓柱凹坑周期性結構。這種微米級或納米級周期性結構的結構周期可以為IOnm?50微米,優(yōu)選200nm?10微米。圖5中，w和d分別代表凹坑的最大寬度和深度，A代表結構周期，其中A > W。
[0024]所述光柵結構是指微米級的周期性結構，所述光子晶格結構是指納米級的周期性結構，這些周期性結構可以是周期性圓錐形突起或凹坑、圓臺形突起或凹坑、圓柱形突起或凹坑、三角錐形突起或凹坑，或者是其他任意形狀的周期性突起或凹坑。如圖10所示，其中(a)顯示了一種三角錐凹坑周期性結構，(b)顯示了一種圓柱凹坑周期性結構。這種微米級或納米級周期性結構的結構周期可以為IOnm?50 μ m,優(yōu)選200nm?10 μ m。圖10中，w和d分別代表凹坑的最大寬度和深度，A代表結構周期，其中A > W。
[0025]作為反射層的微米級或納米級周期性結構通常是由耐高溫(熔點在1000°C以上)的，折射率與GaN不同的材料制作而成的，例如以Si02、SiN等能夠通過晶體方式生長或鍍膜方式生長的材料形成周期性結構，嵌于GaN單晶層內(nèi)。由于這些材料和GaN折射率不同，從而形成有效的全反射界面，且周期性結構有效提高了界面的平均折射率。
[0026]在一些情況下，位于GaN層底部的周期性結構并非由不同于GaN的材料形成，而僅僅是在GaN層底面形成的周期性圖形，這樣的周期性圖形也能起到反射層的作用。
[0027]該反射層設計對于用本發(fā)明所述復合襯底外延生長的GaN基器件具有非常重要的作用。通常在其上外延的發(fā)光器件，有源層發(fā)光會向360度出射，如圖11所示。若沒有該反射層設計，而該發(fā)光材料近40%射向?qū)釋щ妼臃较虻墓舛紩灰r底吸收而不能出射，因此，采用帶有反射層設計的襯底材料以將光提取效率提高至少30%以上。
[0028]本發(fā)明所述復合襯底可以直接用于GaN外延片外延生長，并進而制備垂直結構LED器件。與傳統(tǒng)技術相比，其有非常明顯的優(yōu)點。
[0029]首先，對比現(xiàn)有技術的藍寶石襯底生長?，F(xiàn)今藍寶石襯底是GaN外延片生長的最常用襯底，然而，藍寶石襯底不導電不導熱，在藍寶石襯底生長的GaN很難制備垂直結構LED器件，大多制備為平面結構LED，不利于散熱，無法制備為高功率器件。另外，藍寶石襯底由于和GaN為異質(zhì)襯底，GaN生長質(zhì)量受到限制，無法制備高質(zhì)量的GaN外延片。
[0030]本發(fā)明的復合襯底相較藍寶石襯底有明顯優(yōu)勢。一方面，復合襯底有一層GaN層，因此，在復合襯底生長GaN外延片屬于同質(zhì)外延生長，可以明顯提高生長GaN外延片的晶體質(zhì)量，從而提高內(nèi)量子效率。兩一方面，復合襯底中導熱導電層的使用，可以使利用復合襯底生長的GaN外延片直接按傳統(tǒng)芯片工藝制備為垂直結構LED器件，而不受襯底無法導熱導電的制約，更大限度提高了器件的效率。
[0031]其次，相對于現(xiàn)有技術的Si襯底生長和SiC襯底生長。這兩種襯底雖然由于其導熱導電性，在其襯底生長的GaN外延片都可以直接制備垂直結構LED，但兩者均為異質(zhì)外延，不利于生長的GaN晶體質(zhì)量提高。尤其是Si襯底，在其上生長的GaN外延需要插入多層AlGaN調(diào)節(jié)應力，且在其上生長的GaN厚度很難超過3_4微米。SiC襯底雖然和GaN晶體晶格常數(shù)較為相近，但由于SiC晶體本身制備非常困難，造價很高，所以很難被廣泛應用在GaN基高功率LED器件。本發(fā)明所述復合襯底相對這兩種襯底，主要優(yōu)勢體現(xiàn)在復合襯底屬于同質(zhì)外延生長，可以很好的提高GaN外延片的晶體質(zhì)量，從而獲得更廣闊的應用。
[0032]再次，相對于GaN單晶襯底而言，GaN單晶襯底為同質(zhì)外延襯底，與本發(fā)明所述復合襯底同為同質(zhì)外延，應用該兩種襯底的外延生長可以大幅提高GaN晶體質(zhì)量。但是相較GaN單晶襯底高昂的造價，本發(fā)明所述復合襯底使用原材料為更為廉價的導熱導電材料和厚度僅為GaN單晶襯底四百分之一到四分之一的厚度，價格遠遠低于GaN單晶襯底，因此具有更廣闊的應用前景。
[0033]最后，保護層的使用有效避免了金屬材料的導熱導電層、鍵合層和/或反射層在MOCVD高溫生長時的金屬擴散揮發(fā)給實驗設備帶來的污染問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1是本發(fā)明復合襯底的結構示意圖。
[0035]圖2是復合襯底側壁包裹防止金屬擴散保護層的結構示意圖。
[0036]圖3是復合襯底側壁及部分表面包裹防止金屬擴散保護層的結構示意圖。
[0037]圖4是復合襯底側壁及部分底面包裹防止金屬擴散保護層的結構示意圖。
[0038]圖5是復合襯底側壁及部分表面和底面包裹防止金屬擴散保護層的結構示意圖。[0039]圖6是復合襯底側壁及部分表面及整體底面包裹防止金屬擴散保護層的結構示意圖。
[0040]圖7是反射層位于復合襯底鍵合層靠近GaN —端的結構示意圖。
[0041]圖8是反射層位于復合襯底GaN層內(nèi)的結構示意圖。
[0042]圖9是反射層光柵或光子晶格周期性結構示意圖。
[0043]圖10是反射層為三角錐凹坑(a)或圓柱凹坑(b)形狀的周期性結構示意圖。
[0044]圖11是LED有源層發(fā)光立體出光角以及表面出光光錐的不意圖。
[0045]圖12是實施例1制作GaN層內(nèi)具有反射層結構且側壁具有保護層的GaN/WCu復合襯底的流程圖，其中:(a)是第二步在4微米GaN/藍寶石襯底的GaN面制備SiO2周期反射層的示意圖；(b)是第三步制作反射層后利用HVPE技術繼續(xù)生長GaN至GaN總厚度達到10微米的示意圖；(c)是第四步加工后得到了位于Si襯底上的具有反射層結構的GaN層結構不意圖；(d)是最后獲得的GaN/WCu復合襯底的結構不意圖。
[0046]圖13是實施例1第四步通過502膠粘接Si襯底及激光剝離藍寶石襯底的步驟示意圖。
[0047]圖14是實施例1第五步高溫鍵合以及Si襯底高溫脫落步驟示意圖。
[0048]圖15是實施例2制備的GaN/MoCu復合襯底結構示意圖。
[0049]圖16是實施例3制作具有金屬反射層的GaN/MoCu復合襯底的流程圖，其中:(a)是第三步在粘結于Si襯底上的GaN單晶層上蒸鍍Pd金屬反射層所得結構的示意圖；(b)是通過NiNi鍵合獲得具有Pd金屬反射層，并包覆了保護層的GaN/MoCu復合襯底的結構示意圖。
[0050]圖17是實施例4制作Si襯底范德瓦爾茲鍵合GaN層的復合襯底的流程圖，其中:(a)是第三步在GaN/藍寶石襯底的GaN面制備SiO2圓柱形周期結構的示意圖；(b)是第四步制作反射層后利用HVPE技術繼續(xù)生長GaN至GaN總厚度達到50微米的示意圖；(c)是第五步通過范德瓦爾茲鍵合形成藍寶石/GaN/Si結構的示意圖；(d)是第六步通過激光剝離獲得GaN/Si復合襯底的示意圖。
[0051]圖18是實施例5制備的GaN/SiC復合襯底結構示意圖。
[0052]圖19是實施例6制備的GaN/AlSi復合襯底結構示意圖。
[0053]圖20是實施例7制備的GaN/WCu復合襯底結構示意圖。
[0054]圖中:
[0055]1-GaN層，2_導熱導電層，3_保護層，4_鍵合層，5_反射層，5 ’ -反射層圖形結構，6-藍寶石襯底，7-Si襯底，8-SiC單晶襯底，9-AlSi單晶襯底。
【具體實施方式】
[0056]下面結合附圖，通過實施例對本發(fā)明進行詳細描述，但這并非是對本發(fā)明的限制，本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明的基本思想，可以做出各種修改或改進，只要不脫離本發(fā)明的基本思想，均在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
[0057]實施例1:WCu金屬襯底AuAu鍵合GaN層的金屬復合襯底
[0058]第一步，使用2英寸430微米厚的平板藍寶石襯底6，利用本領域技術人員所熟知的MOCVD技術生長4微米厚的GaN單晶外延片I。[0059]第二步，利用PECVD技術在上述生長的GaN單晶表面生長一層I微米厚的SiO2薄膜，并利用本領域技術人員所熟知的光刻以及干法刻蝕技術將SiO2薄層制備成周期為3微米，底徑2.5微米，高I微米的圓錐形周期結構5’，如圖12(a)所示。圓錐圖形間距處要露出GaN表面。這一周期性結構即可以作為反射層使用。
[0060]第三步，將制備好反射層結構的上述GaN單晶繼續(xù)使用本領域技術人員所熟知的HVPE技術生長GaN至GaN單晶總厚度達到10微米，如圖12 (b)所示。
[0061]第四步，將上述生長好的GaN單晶的GaN面使用502快干膠粘接到2英寸400微米的單晶Si襯底7上，使用Si襯底7做轉(zhuǎn)移支撐襯底，再通過本領域技術人員所熟知的激光剝離技術將藍寶石襯底剝離掉，只剩下粘接在Si襯底上的GaN單晶，轉(zhuǎn)移及剝離過程如圖13所示，得到的位于Si襯底上的具有反射層結構的GaN層結構如圖12(c)所示。
[0062]第五步，在Si襯底上的GaN單晶的GaN面和WCu合金襯底表面同時蒸鍍I微米的Au。然后在300°C，壓力5噸下，通過15分鐘鍵合在一起。鍵合完畢后，502快干膠會在高溫下碳化，因此，Si襯底和GaN/WCu復合襯底的連接會自動分離，如圖14所示。
[0063]第六步，使用PECVD技術將該襯底的正面、反面以及側面均生長厚度達到500納米的SiO2薄膜保護層，然后使用光刻膠將襯底側壁保護，使用BOE溶液刻蝕掉襯底GaN表面以及底面的SiO2薄膜，只留下側壁保護部分。
[0064]最后通過表面清洗可以得到如圖12(d)所示的復合襯底，該襯底包括一層150微米厚的WCu合金金屬襯底2，W和Cu的質(zhì)量比為15%比85%。通過AuAu鍵合和一層10微米厚的GaN單晶鍵合在一起。該鍵合層4Au厚度為2微米。該襯底具有500nm厚SiO2側面保護層3，該保護層設計如
【發(fā)明內(nèi)容】
所述第一種設計方案。在GaN層I靠近鍵合層4約4微米處包括一層反射層圖形結構5’。該圖形結構如圖12所示，為周期3微米、高度I微米、底徑2.5微米的圓錐形SiO2圖形層結構。
[0065]實施例2 =MoCu金屬襯底AuAu鍵合GaN層的金屬復合襯底
[0066]第一步，使用2英寸430微米厚的平板藍寶石襯底，利用本領域技術人員所熟知的MOCVD技術生長4微米厚的GaN單晶外延片。
[0067]第二步，利用PECVD技術在上述生長的GaN單晶表面生長一層I微米厚的SiO2薄膜，并利用本領域技術人員所熟知的光刻以及干法刻蝕技術將SiO2薄層制備成周期為3微米，底徑2.5微米，高I微米的圓錐形周期結構，參見圖12(a)。圓錐圖形間距處要露出GaN表面。這一周期性結構即可以作為反射層使用。
[0068]第三步，將制備好反射層結構的上述GaN單晶繼續(xù)使用本領域技術人員所熟知的HVPE技術生長GaN至GaN單晶總厚度達到10微米，參見圖12 (b)。
[0069]第四步，將上述生長好的GaN單晶的GaN面使用502快干膠粘接到2英寸400微米的單晶Si襯底上，使用Si襯底做轉(zhuǎn)移支撐襯底。再通過本領域技術人員所熟知的激光剝離技術將藍寶石襯底剝離掉，只剩下粘接在Si襯底上的GaN單晶。制備過程如圖13所示，制備產(chǎn)品如圖12(c)所示。
[0070]第五步，在Si襯底上的GaN單晶的GaN面和MoCu合金襯底表面同時蒸鍍I微米的Au。然后在300°C，壓力5噸下，通過15分鐘鍵合在一起。鍵合完畢后，502快干膠會在高溫下碳化，因此，Si襯底和GaN/WCu復合襯底的連接會自動分離。
[0071]第六步，使用PECVD技術將該襯底的正面反面以及側面均生長厚度達到2微米的Si3N4薄膜保護層，然后使用光刻膠將襯底側壁及GaN表面邊緣5毫米范圍保護，使用BOE溶液刻蝕掉襯底GaN表面其余部分以及整個底面的Si3N4薄膜，只留下側壁及GaN表面邊緣5暈米部分。
[0072]最后通過表面清洗可以得到如圖15所示的復合襯底，該襯底包括一層150微米厚的MoCu合金金屬襯底2，Mo和Cu的質(zhì)量比為20%比80%。通過AuAu鍵合和一層10微米厚的GaN單晶I鍵合在一起。該鍵合層4Au厚度為2微米。該襯底具有2微米厚側面及部分表面Si3N4保護層3，該保護層設計如
【發(fā)明內(nèi)容】
所述第二種設計方案。在GaN層I靠近鍵合層4約4微米處包括一層反射層圖形結構5’。該圖形結構為周期3微米，高度I微米，底徑2.5微米的圓錐形SiO2圖形層結構。
[0073]實施例3 =MoCu金屬襯底NiNi鍵合GaN層的金屬復合襯底
[0074]第一步，使用2英寸430微米厚的平板藍寶石襯底，利用本領域技術人員所熟知的MOCVD技術生長4微米厚的GaN單晶外延片。
[0075]第二步，將上述生長好的GaN單晶的GaN面使用502快干膠粘接到2英寸400微米的單晶Si襯底上，使用Si襯底做轉(zhuǎn)移支撐襯底，再通過本領域技術人員所熟知的激光剝離技術將藍寶石襯底剝離掉，只剩下粘接在Si襯底上的GaN單晶，參見圖13。
[0076]第三步，在Si襯底上的GaN單晶的GaN面蒸鍍200nm Pd金屬作為反射層5，如圖16(a)所示。
[0077]第四步，將蒸鍍好反射層的在Si襯底上的GaN單晶在反射層上和MoCu合金襯底表面同時蒸鍍2微米的Ni，然后在800°C，壓力15噸下，通過15分鐘鍵合在一起，鍵合工藝參見圖14。鍵合完畢后，502快干膠會在高溫下碳化，因此，Si襯底和GaN/WCu復合襯底的連接會自動分離。
[0078]第五步，使用PECVD技術將該襯底的正面反面以及側面均生長厚度達到50微米的Si3N4薄膜保護層，然后使用光刻膠將襯底側壁及MoCu襯底底面邊緣5毫米范圍保護，使用BOE溶液刻蝕掉襯底GaN表面其余部分以及整個底面的Si3N4薄膜，只留下側壁及MoCu襯底底面邊緣5暈米部分。
[0079]最后通過表面清洗可以得到如圖16(b)所示的復合襯底，該襯底包括一層150微米厚的MoCu合金金屬襯底2，Mo和Cu的質(zhì)量比為20%比80%。通過NiNi鍵合和一層4微米厚的GaN單晶I鍵合在一起。該鍵合層4Ni厚度為4微米。該襯底具有50納米厚側面及部分底面Si3N4保護層3，該保護層設計如
【發(fā)明內(nèi)容】
所述第三種設計方案。在GaN層I靠近鍵合層4處包括一層Pd金屬反射層5。
[0080]實施例4 =Si襯底范德瓦爾茲鍵合GaN層的復合襯底
[0081]第一步，使用2英寸430微米厚的平板藍寶石襯底，利用本領域技術人員所熟知的MOCVD技術生長4微米厚的GaN單晶外延片。
[0082]第二步，將上述GaN單晶繼續(xù)使用本領域技術人員所熟知的HVPE技術生長GaN至GaN單晶總厚度達到46微米。
[0083]第三步，利用PECVD技術在上述生長的GaN單晶表面生長一層I微米厚的SiO2薄膜，并利用本領域技術人員所熟知的光刻以及干法刻蝕技術將SiO2薄層制備成周期為3微米，底徑2微米，高I微米的圓柱形周期結構5’，如圖17(a)所示。圓柱圖形間距處要露出GaN表面。這一周期性結構即可以作為反射層使用。[0084]第四步，將制備好反射層結構的上述GaN單晶繼續(xù)使用HVPE技術生長GaN至GaN單晶總厚度達到50微米，如圖17(b)所示。
[0085]第五步，將上述制備好的具有反射層結構的GaN晶體與400微米厚的Si片通過900°C, 20噸壓力下，30分鐘直接范德瓦爾茲鍵合粘結在一起，形成藍寶石/GaN/Si這樣的結構樣品，如圖17(c)所示
[0086]第六步，通過本領域技術人員所熟知的激光剝離技術將藍寶石襯底剝離掉，只剩下GaN/Si鍵合的復合襯底結構。
[0087]第七步，使用PECVD技術將該襯底的正面反面以及側面均生長厚度達到5微米的SiO2薄膜保護層，然后使用光刻膠將襯底側壁及GaN表面和Si襯底底面邊緣5毫米范圍保護，使用BOE溶液刻蝕掉襯底GaN表面和Si襯底底面其余部分以及整個底面的SiO2薄膜，只留下側壁及GaN表面和Si襯底底面邊緣5毫米部分。
[0088]最后通過表面清洗可以得到如圖17(d)所示的復合襯底，該襯底包括一層400微米厚的Si單晶襯底7，通過范德瓦爾茲力鍵合和一層50微米厚的GaN單晶I鍵合在一起。該襯底具有5微米厚側面及部分GaN表面和Si襯底底面SiO2保護層3，該保護層設計如
【發(fā)明內(nèi)容】
所述第四種設計方案。在GaN層I靠近鍵合面4微米處包括一層反射層圖形結構5’。該圖形結構為周期3微米，高度I微米，下底底徑2微米圓柱形SiO2圖形層結構。
[0089]實施例5:SiC襯底PdPd鍵合GaN層的復合襯底
[0090]第一步，使用2英寸430微米厚的平板藍寶石襯底，利用本領域技術人員所熟知的MOCVD技術生長4微米厚的GaN單晶外延片。
[0091]第二步，利用PECVD技術在上述生長的GaN單晶表面生長一層I微米厚的SiO2薄膜，并利用本領域技術人員所熟知的光刻以及干法刻蝕技術將SiO2薄層制備成周期為3微米，底徑2.5微米，高I微米的圓錐形周期結構，參見圖12(a)。圓錐圖形間距處要露出GaN表面。這一周期性結構即可以作為反射層使用。
[0092]第三步，將制備好反射層結構的上述GaN單晶繼續(xù)使用本領域技術人員所熟知的HVPE技術生長GaN至GaN單晶總厚度達到10微米，參見圖12 (b)。
[0093]第四步，將上述生長好的GaN單晶的GaN面使用502快干膠粘接到2英寸400微米的單晶Si襯底上，使用Si襯底做轉(zhuǎn)移支撐襯底，再通過本領域技術人員所熟知的激光剝離技術將藍寶石襯底剝離掉，只剩下粘接在Si襯底上的GaN單晶，如圖13所示。
[0094]第五步，在Si襯底上的GaN單晶的GaN面和200微米厚的SiC襯底表面同時蒸鍍I微米的Pd。然后在800°C，壓力8噸下，通過15分鐘鍵合在一起。鍵合完畢后，502快干膠會在高溫下碳化，因此，Si襯底和GaN/SiC復合襯底的連接會自動分離。第六步，使用PECVD技術將該襯底的正面反面以及側面均生長厚度達到500納米的SiO2薄膜保護層，然后使用光刻膠將襯底側壁和SiC襯底全部底面保護，使用BOE溶液刻蝕掉襯底GaN表面的SiO2薄膜，只留下側壁和SiC襯底全部底面部分。
[0095]最后通過表面清洗可以得到如圖18所示的復合襯底，該襯底包括一層200微米厚的SiC單晶襯底8，通過PdPd鍵合和一層10微米厚的GaN單晶I鍵合在一起。該鍵合層4Pd厚度為2微米。該襯底具有500納米厚側面及全部底面SiO2保護層3，該保護層設計如
【發(fā)明內(nèi)容】
所述第五種設計方案。在GaN層I靠近鍵合層4約4微米處包括一層反射層圖形結構5’。該圖形結構為周期3微米，高度I微米，底徑2.5微米的圓錐形SiO2圖形層結構。[0096]實施例6 =AlSi襯底AuAu鍵合GaN層的復合襯底
[0097]第一步，使用2英寸430微米厚的平板藍寶石襯底，利用本領域技術人員所熟知的MOCVD技術生長6微米厚的GaN單晶外延片。
[0098]第三步，利用PECVD技術在上述生長的GaN單晶表面生長一層I微米厚的SiO2薄膜，并利用本領域技術人員所熟知的光刻以及干法刻蝕技術將SiO2薄層制備成周期為3微米，底徑2微米，高I微米的圓柱形周期結構，參見圖17 (a)。圓柱圖形間距處要露出GaN表面。這一周期性結構即可以作為反射層使用。
[0099]第四步，將制備好反射層結構的上述GaN單晶繼續(xù)使用本領域技術人員所熟知的HVPE技術生長GaN至GaN單晶總厚度達到10微米，參見圖17 (b)。
[0100]第五步，在上述的藍寶石/GaN單晶的GaN面和200微米厚的AlSi襯底表面同時蒸鍍I微米的Au。然后在300°C，壓力5噸下，通過15分鐘鍵合在一起。
[0101]第六步，通過本領域技術人員所熟知的激光剝離技術將藍寶石襯底剝離掉，只剩下GaN/AlSi鍵合的復合襯底結構。
[0102]第七步，使用PECVD技術將該襯底的正面反面以及側面均生長厚度達到500納米的SiO2薄膜保護層，然后使用光刻膠將襯底側壁、AlSi襯底全部底面以及GaN表面邊緣2毫米范圍保護，使用BOE溶液刻蝕掉襯底部分GaN表面的SiO2薄膜，只留下側壁AlSi襯底全部底面以及GaN表面邊緣2毫米部分。
[0103]最后通過表面清洗可以得到如圖19所示的復合襯底，該襯底包括一層200微米厚的AlSi單晶襯底9，Al組分為30%，Si組分為70%。通過AuAu鍵合和一層10微米厚的GaN單晶I鍵合在一起。該鍵合層4Au厚度為4微米。該襯底具有500納米厚側面及全部底面以及GaN表面邊緣2毫米SiO2保護層3，該保護層設計如
【發(fā)明內(nèi)容】
所述第六種設計方案。在GaN層靠近鍵合層4約4微米處包括一層反射層圖形結構5’。該圖形結構為周期3微米，高度I微米，底徑2微米的圓柱形SiO2圖形層結構。
[0104]實施例7 =WCu金屬襯底AuAu鍵合GaN層的無反射層復合襯底
[0105]第一步，使用2英寸430微米厚的平板藍寶石襯底，利用本領域技術人員所熟知的MOCVD技術生長4微米厚的GaN單晶外延片。
[0106]第二步，將上述GaN單晶繼續(xù)使用本領域技術人員所熟知的HVPE技術生長GaN至GaN單晶總厚度達到10微米。
[0107]第三步，將上述生長好的GaN單晶的GaN面使用502快干膠粘接到2英寸400微米的單晶Si襯底上，使用Si襯底做轉(zhuǎn)移支撐襯底，再通過本領域技術人員所熟知的激光剝離技術將藍寶石襯底剝離掉，只剩下粘接在Si襯底上的GaN單晶。
[0108]第四步，在Si襯底上的GaN單晶的GaN面和WCu合金襯底表面同時蒸鍍I微米的Au，然后在300°C，壓力5噸下，通過15分鐘鍵合在一起。鍵合完畢后，502快干膠會在高溫下碳化，因此，Si襯底和GaN/WCu復合襯底的連接會自動分離。
[0109]第五步，使用PECVD技術將該襯底的正面反面以及側面均生長厚度達到500納米的SiO2薄膜保護層，然后使用光刻膠將襯底側壁、WCu襯底全部底面以及GaN表面邊緣2毫米范圍保護，使用BOE溶液刻蝕掉襯底部分GaN表面的SiO2薄膜，只留下側壁WCu襯底全部底面以及GaN表面邊緣2毫米部分。
[0110]最后通過表面清洗可以得到如圖20所示的復合襯底，該襯底包括一層150微米厚的WCu合金金屬襯底2，W和Cu的質(zhì)量比為15%比85%。通過AuAu鍵合和一層10微米厚的GaN單晶I鍵合在一起。該鍵合層4Au厚度為2微米。該襯底具有500納米厚側面及全部底面以及GaN表面邊緣2毫米SiO2保護層3，該保護層設計如
【發(fā)明內(nèi)容】
所述第六種設計方案。
【權利要求】
1.一種用于GaN生長的復合襯底,包括一導熱導電層和位于該導熱導電層上的GaN單晶層，其中所述導熱導電層的熔點大于1000°C，其特征在于，至少在復合襯底的側壁包裹有防止金屬擴散的保護層，所述保護層的材料為非金屬，不具有揮發(fā)性，且在1100°C以內(nèi)不分解也不熔化。
2.如權利要求1所述的復合襯底，其特征在于，所述保護層的材料為Si02、Si3N4,SiC、GaN 或 A1N。
3.如權利要求1或2所述的復合襯底，其特征在于，所述保護層包裹區(qū)域為下列六種之一:1)僅包裹復合襯底的側壁；2)包裹復合襯底的側壁和所述GaN單晶層表面邊緣1-1Omm寬的區(qū)域；3)包裹復合襯底的側壁和所述導熱導電層底面邊緣1-10_寬的區(qū)域；4)包裹復合襯底的側壁，以及所述GaN單晶層表面邊緣1-1Omm寬的區(qū)域和所述導熱導電層底面邊緣1-10_寬的區(qū)域；5)包裹復合襯底的側壁和所述導熱導電層的全部底面；6)包裹復合襯底的側壁，以及所述導熱導電層的全部底面和所述GaN單晶層層表面邊緣1-1Omm寬的區(qū)域。
4.如權利要求1或2所述的復合襯底，其特征在于，所述保護層的厚度為20納米?5微米，優(yōu)選為100納米?2微米。
5.如權利要求1或2所述的復合襯底，其特征在于，所述導熱導電層的厚度為10微米?3000微米，優(yōu)選為50微米?400微米；所述GaN單晶層的厚度為0.1微米?100微米，優(yōu)選為I微米?50微米。
6.如權利要求1或2所述的復合襯底，其特征在于，所述導熱導電層的材料選自金屬W、N1、Mo、Pd、Au和Cr中一種或多種的合金，或者是這些金屬中的一種或多種與Cu的合金，或者是Si晶體、SiC晶體或AlSi晶體。
7.如權利要求1或2所述的復合襯底，其特征在于，所述導熱導電層與GaN單晶層之間具有一柔性介質(zhì)鍵合層。
8.如權利要求1或2所述的復合襯底，其特征在于，所述復合襯底內(nèi)還具有一反射層，該反射層位于GaN單晶層的內(nèi)部、底部或底面，所述GaN單晶層的底面是指GaN單晶層與導熱導電層連接的一面。
9.如權利要求8所述的復合襯底，其特征在于，所述反射層是位于GaN單晶層底面的金屬反射層，或者是位于GaN單晶層的內(nèi)部或底部的具有光柵或光子晶格結構的周期性結構層。
10.如權利要求1或2所述的復合襯底，其特征在于，所述導熱導電層上依次是鍵合層、反射層和GaN單晶層。
【文檔編號】H01L33/48GK103579471SQ201210255792
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年7月23日 優(yōu)先權日:2012年7月23日
【發(fā)明者】孫永健, 張國義, 童玉珍 申請人:東莞市中鎵半導體科技有限公司