一種轉(zhuǎn)移過程同期圖形化的GaN基復(fù)合襯底的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及半導(dǎo)體光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種采用打印技術(shù)制備圖形化鍵合介質(zhì)層并結(jié)合介質(zhì)鍵合和激光剝離技術(shù)進行襯底轉(zhuǎn)移同期實現(xiàn)圖形化的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)晶體管(HFET)，已經(jīng)成為了國際光電子領(lǐng)域的研宄熱點。
[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，其中藍光、綠光LED已經(jīng)實現(xiàn)商品化，但是藍寶石基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)藍寶石是絕緣材料，導(dǎo)致相關(guān)器件無法實現(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)致電流簇擁效應(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)藍寶石硬度較高，且藍寶石晶格和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，易于實現(xiàn)大尺寸和集成等優(yōu)點，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外延單晶層轉(zhuǎn)移到高熱導(dǎo)率高電導(dǎo)率的襯底上，以消除藍寶石襯底的不利影響。然而，后續(xù)芯片切割工藝會導(dǎo)致介質(zhì)層噴濺、GaN基薄膜損傷及器件短路等問題。本實用新型一種轉(zhuǎn)移過程同期圖形化的GaN基復(fù)合襯底，適用于GaN同質(zhì)外延和直接制備垂直結(jié)構(gòu)LED芯片，有效簡化工藝，節(jié)約成本，在后期芯片切割時，可以只切割轉(zhuǎn)移襯底層而不切割GaN基薄膜和鍵合介質(zhì)層，從而解決因切割襯底所致GaN基薄膜損傷、介質(zhì)層材料噴濺和器件短路等問題，且轉(zhuǎn)移過程同期圖形化能有效減小復(fù)合襯底中的殘余應(yīng)力，從而提高GaN基復(fù)合襯底和LED芯片性能，同時能簡化工藝，節(jié)省成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為克服上述不足之處，本實用新型提供一種轉(zhuǎn)移過程同期圖形化的GaN基復(fù)合襯底，是在轉(zhuǎn)移襯底上打印導(dǎo)熱導(dǎo)電的圖形化鍵合介質(zhì)層，將GaN基外延薄膜鍵合到轉(zhuǎn)移襯底上，并使用激光剝離工藝去除藍寶石襯底，將與介質(zhì)材料有接觸的GaN基薄膜轉(zhuǎn)移到襯底，而與介質(zhì)材料無接觸的GaN基薄膜部則自分裂成碎片去除，得到圖形化GaN基外延薄膜。本實用新型一種轉(zhuǎn)移過程同期圖形化的GaN基復(fù)合襯底，適用于GaN同質(zhì)外延和直接制備垂直結(jié)構(gòu)LED器件，其特征在于:在后續(xù)芯片切割時，可以只切割轉(zhuǎn)移襯底而不切割GaN基外延薄膜和鍵合介質(zhì)層，從而可以避免因切割芯片所致GaN基外延薄膜的損傷、介質(zhì)層材料噴濺和器件短路等問題，且轉(zhuǎn)移過程同期圖形化能有效減小復(fù)合襯底中的殘余應(yīng)力，因而提高GaN同質(zhì)外延及芯片的質(zhì)量，且能簡化工藝，節(jié)約成本，具有較好的應(yīng)用前景。
[0007]如圖1所示，本實用新型一種轉(zhuǎn)移過程同期圖形化的GaN基復(fù)合襯底，包括(從下到上依次)導(dǎo)熱導(dǎo)電轉(zhuǎn)移襯底1、位于其上面的導(dǎo)熱導(dǎo)電的圖形化鍵合介質(zhì)層2、及其上面的圖形化GaN基外延薄膜3。
[0008]所述鍵合介質(zhì)層和轉(zhuǎn)移襯底，均要求具備以下幾個特征:(I)耐高溫，熔點超過1000°C，且在高溫下無明顯的擴散現(xiàn)象；(2)具備導(dǎo)熱導(dǎo)電性能。
[0009]按所述要求，所述鍵合介質(zhì)層材料，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)金屬或幾種的合金，或者是樹脂基體和導(dǎo)電粒子銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、銷(Al)、鋅(Zn)、鐵(Fe)、鎳(Ni)、石墨(C)中的一種或多種構(gòu)成的導(dǎo)電聚合物，或者是以上一種或多種導(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。
[0010]按所述要求，所述轉(zhuǎn)移襯底材料，可以選擇鉬(Mo)、鈦(Ti)、鈀(Pd)、銅(Cu)、鎢(W)、镲(Ni)、鉻(Cr)中的一種單質(zhì)金屬或幾種的合金，或者是硅(Si)晶體、碳化硅(SiC)晶體或AlSi晶體。
[0011]本實用新型一種轉(zhuǎn)移過程同期圖形化的GaN基復(fù)合襯底，所述GaN基外延薄膜的厚度為I微米至100微米，優(yōu)選為3微米至50微米；所述鍵合介質(zhì)層的厚度為10納米至100微米，優(yōu)選為500納米至20微米；所述轉(zhuǎn)移襯底的厚度為10微米至3000微米，優(yōu)選為50微米至1000微米。
[0012]本實用新型一種轉(zhuǎn)移過程同期圖形化的GaN基復(fù)合襯底，所述導(dǎo)熱導(dǎo)電鍵合介質(zhì)層，可以是單層或多層結(jié)構(gòu)，是通過噴墨打印或絲網(wǎng)印刷技術(shù)，在轉(zhuǎn)移襯底表面上制備圖形化鍵合介質(zhì)層；之后，在溫度多(TC，壓力100公斤力/平方英寸至20噸/平方英寸的條件下，通過所述導(dǎo)熱導(dǎo)電鍵合介質(zhì)層的擴散，將轉(zhuǎn)移襯底的正面、GaN基外延膜兩者緊密鍵合在一起；所述GaN基外延薄膜，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；所述GaN基外延薄膜的圖形化，是通過激光剝離(藍寶石襯底)時(與鍵合介質(zhì)無接觸的)GaN基外延薄膜的自分裂來同期實現(xiàn)的。
[0013]本實用新型一種轉(zhuǎn)移過程同期圖形化的GaN基復(fù)合襯底，既保持傳統(tǒng)襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)實現(xiàn)GaN基復(fù)合襯底適用于GaN同質(zhì)外延和制備垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的優(yōu)勢，又簡化了后續(xù)芯片切割工藝，還克服了傳統(tǒng)襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)及其后續(xù)切割工藝中所存在的諸多弊端。
[0014](I)使用打印技術(shù)實現(xiàn)的圖形化鍵合介質(zhì)層，及相應(yīng)的圖形化GaN基外延薄膜，可簡化工藝，節(jié)省鍵合介質(zhì)材料，節(jié)約成本，利于產(chǎn)業(yè)化。
[0015](2)本實用新型制備的圖形化GaN基復(fù)合襯底，是通過激光剝離(藍寶石襯底)時的GaN基外延薄膜的自分裂(去除與鍵合介質(zhì)層無接觸的GaN基外延薄膜部分)來同期實現(xiàn)的，并不需要掩膜或是光刻工藝，從而不會出現(xiàn)多次使用后掩膜精度下降的問題，這在小尺寸圖形化所需要的高精度工藝中，可降低其工藝難度并節(jié)省生產(chǎn)成本。
[0016](3)通過調(diào)整打印工藝參數(shù)，可制備各種鍵合介質(zhì)材料、各種轉(zhuǎn)移襯底、各種圖形化的GaN基外延薄膜，其應(yīng)用范圍廣闊。
[0017](