一种含有扩散阻挡层的GaN基复合衬底制造技术

本实用新型专利技术涉及一种含有扩散阻挡层的GaN基复合衬底，包括[导热导电]转移衬底，位于该转移衬底上的扩散阻挡层、及扩散阻挡层上的[导热导电]键合介质层和[转移后的]GaN基外延薄膜。本实用新型专利技术复合衬底，兼顾以往转移衬底技术实现的复合衬底具备的适用于GaN同质外延及可直接制备垂直结构LED器件的优点，简化工艺，降低成本，其中扩散阻挡层又能有效抑制衬底转移、外延芯片结构及芯片制备工艺过程中衬底材料、键合介质材料及GaN基薄膜三者间剧烈的化学反应和原子扩散，从而避免鼓泡、褶皱、微裂纹的产生，减少杂质原子对GaN的掺杂，降低复合衬底和芯片中的漏电流，从而提高GaN基复合衬底及所制备芯片的性能。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及半导体光电子器件
，特别涉及一种含有扩散阻挡层的GaN基复合衬底。
技术介绍
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)以及异质结场效应晶体管(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。然而，在衬底转移、外延芯片结构及芯片制备工艺过程中均涉及高温过程，转移衬底材料、键合介质材料及GaN基外延薄膜三者间会产生剧烈的化学反应，将对转移衬底产生回熔而破坏界面，形成鼓泡、褶皱及微裂纹，甚至退键合，显著降低外延层晶体质量。此外，工艺过程中转移衬底材料、键合介质材料及GaN基外延薄膜三者间的原子扩散过于剧烈时，也会导致键合介质层疏松，键合强度下降，并对GaN基薄膜形成严重掺杂，明显增大衬底和所制备芯片中漏电流，影响所获得GaN基复合衬底及其上制备芯片的性能。
技术实现思路
本技术提供了如图1所示的一种含有扩散阻挡层的GaN基复合衬底，包括[导热导电]转移衬底1、位于该转移衬底1上的扩散阻挡层2，及扩散阻挡层2上的[导热导电]键合介质层3和[转移后的]GaN基外延薄膜4。本技术采用介质键合和激光剥离技术实现GaN基复合衬底，具有适用于GaN同质外延及可直接制备垂直结构LED器件的优点，简化工艺，降低成本，其中使用扩散阻挡层又能有效抑制衬底转移、外延芯片结构及芯片制备工艺过程中衬底材料、键合介质材料及GaN基薄膜三者间剧烈的化学反应和原子扩散，从而避免鼓泡、褶皱、微裂纹的产生，减少杂质原子对GaN的掺杂，降低复合衬底和芯片中的漏电流，从而提高GaN基复合衬底及所制备芯片的性能。所述转移后的GaN基外延薄膜4的厚度为1微米至100微米，优选为3微米至50微米；所述导热导电键合介质层3的厚度为10纳米至100微米，优选为500纳米至20微米；所述扩散阻挡层2的厚度为1纳米至20微米，优选为10纳米至1微米；所述导热导电衬底1的厚度为10微米至3000微米，优选为50微米至1000微米。所述扩散阻挡层2，其材料可以是Al2O3、AlN、ZnO、MgO、SiO2、La2O3、Y2O3中的一种，或者是W、Ni、Pt、Mo等高熔点金属中的一种单质金属或是一种以上金属的合金。所述扩散阻挡层2，可以是单层或多层结构，其位置可以位于转移衬底1与键合介质层3之间，或者是键合介质层3与GaN基外延薄膜4之间，或者上面所述两侧都有扩散阻挡层,或者是在键合介质层中含有一层材料作为扩散阻挡层。所述扩散阻挡层2，可用多种不同方法制备，如原子层沉积、分子束外延、有机金属化学气相沉积等，也包括沉积扩散阻挡层后的退火处理等后处理工艺。所述[导热导电]键合介质层3和[导热导电]转移衬底1，均要求具有以下几个特性：(1)耐高温，熔点超过1000℃，且在所述高温下无剧烈扩散现象；(2)具备导热导电性能。所述[导热导电]键合介质层3，其材料熔点高于1000℃且具有导热导电性能的，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一种以上金属的合金，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)中的一种或一种以上元素构成的导电聚合物，或者是以上一种或一种以上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；所述[导热导电]键合介质层3，可以是单层或多层结构，可利用磁控溅射或真空热蒸发或湿法工艺制备。所述[导热导电]转移衬底1，其材料熔点高于1000℃且具有导热导电性能的，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一种以上金属的合金，或者是硅(Si)晶体、碳化硅(SiC)晶体或AlSi晶体。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。在所述[导热导电]转移衬底1与GaN基外延薄膜4之间，是通过[导热导电]键合介质层3的扩散，将[转移前的]GaN基外延薄膜41和[导热导电]转移衬底1的正面，进行紧密键合；其扩散键合条件为：温度≥0℃、压力100公斤力/平方英寸至4吨/平方英寸。本技术一种含有扩散阻挡层的GaN基复合衬底，与相对传统的衬底转移 技术实现的GaN基复合衬底相比，具有许多独特的优势：1)扩散阻挡层能有效减小衬底转移、外延芯片结构和芯片制备工艺过程中转移衬底材料、键合介质层材料及GaN基外延薄膜三者之间的化学反应，避免对衬底产生回熔而破坏界面，从而抑制鼓泡、褶皱和微裂纹的产生，提高键合强度，保证经过整个工艺流程后GaN外延层晶体质量。2)扩散阻挡层能抑制衬底转移、外延芯片结构和芯片制备工艺过程中转移衬底材料、键合介质层材料及GaN基外延薄膜三者之间的原子扩散，避免过于剧烈的扩散现象引起的键合介质层疏松，提高键合强本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含有扩散阻挡层的GaN基复合衬底，其特征在于，包括：导热导电转移衬底(1)；位于转移衬底(1)上的扩散阻挡层(2)；及扩散阻挡层(2)上的导热导电键合介质层(3)和转移后的GaN基外延薄膜(4)。

【技术特征摘要】
1.一种含有扩散阻挡层的GaN基复合衬底，其特征在于，包括：导热导电转移衬底(1)；位于转移衬底(1)上的扩散阻挡层(2)；及扩散阻挡层(2)上的导热导电键合介质层(3)和转移后的GaN基外延薄膜(4)。
2.根据权利要求1所述的一种含有扩散阻挡层的GaN基复合衬底，其特征在于，所述导热导电转移衬底(1)和键合介质层(3)，其熔点高于1000℃且具有导热导电性能。
3.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪青，孙永健，张国义，童玉珍，
申请(专利权)人：东莞市中镓半导体科技有限公司，
类型：新型
国别省市：广东;44