[发明专利]一种带有防止金属扩散保护层的复合衬底

说明书

技术领域

本发明涉及用于GaN外延生长的衬底，特别涉及一种带有防止金属扩散保护层的高效复合衬底。

背景技术

以GaN和InGaN、AlGaN为主的III/V氮化物是近年来备受关注的半导体材料，其1.9-6.2eV连续可变的直接带隙，优异的物理、化学稳定性，高饱和电子迁移率等等特性，使其成为激光器、发光二极管等等光电子器件的最优选材料。

然而对于现在的GaN基半导体材料器件来讲，由于缺少GaN衬底，通常GaN基LED的外延膜主要是生长在蓝宝石衬底、SiC或Si等衬底上。到目前为止，GaN材料体系的外延生长技术，基本是基于大失配的异质外延技术。应用最为广泛，专利保护最多的，主要是蓝宝石衬底的异质外延技术。其主要问题是：1.由于GaN和蓝宝石之间有较大的晶格失配和热应力失配，由此造成10⁹cm^-2的失配位错，严重影响晶体质量，降低LED的发光效率和使用寿命；2.蓝宝石是绝缘体，常温下电阻率大于10¹¹Ωcm，这样就无法制作垂直结构的器件，通常只能在外延层上表面制作N型和P型电极。因此使有效发光面积减小，同时增加了器件制备中的光刻和刻蚀工艺过程，使材料的利用率降低；3.蓝宝石的导热性能不好，在100℃热导率约为0.25W/cmK，这对于GaN基器件的性能影响很大，特别是在大面积大功率器件中，散热问题非常突出；4.在GaN-基激光器(LD)的制作中，由于蓝宝石硬度很高，并且蓝宝石晶格与GaN晶格之间存在一个30度的夹角，所以难于获得InGaNLD外延层的解理面，也就不能通过解理的方法得到InGaN-LD的腔面。

而对于SiC衬底来说，虽然其晶体常数与GaN晶格常数最为相近，晶格失配较小，但同样是异质外延，同样存在失配位错及热失配位错，且SiC衬底造价昂贵，在GaN基LED器件的应用中存在明显困难。Si衬底也是近些年开始研究的GaN基外延衬底，然而Si衬底与GaN的晶格失配度相较蓝宝石衬底还要大，并且Si衬底为立方晶向，GaN为六方晶向，这更增加了在其上外延GaN材料的困难，目前在Si衬底生长的GaN层面临开裂等严重问题，生长厚度很难超过4微米。

因此，对于晶体外延而言，无论从外延生长的理论上，还是半导体外延技术的发展历史，都已经证明，同质外延是最佳选择。近期，人们开始开发GaN单晶衬底制备技术，GaN单晶衬底的出现，使得GaN外延回归了同质外延，可以很好地提高外延GaN晶体的晶体质量，并且，GaN晶体较好的导热导电特性，使得使用GaN衬底外延的LED外延片可以直接制备为垂直结构LED器件，从而提高了器件在大电流注入下的性能。然而，GaN单晶衬底高昂的价格直接制约了其在LED器件的应用。目前，一片2英寸GaN单晶衬底价格可以达到2000美金，而目前市场一片2英寸高功率LED外延片的价格不超过100美金，这样的巨大成本完全限制了GaN单晶衬底在LED市场的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以直接用于生长GaN外延片的高效复合衬底，既要兼顾GaN外延所需要的同质外延，提高晶体质量，又可以直接制备垂直结构LED，且要大幅降低了成本，同时有效避免金属材料在MOCVD高温生长时的扩散挥发给实验设备带来的污染问题。

本发明用于GaN生长的复合衬底，包括一导热导电层和位于该导热导电层上的GaN单晶层，其特征在于，至少在复合衬底的侧壁包裹有防止金属扩散的保护层。

本发明的复合衬底包含至少两层材料构成的衬底主体以及一层未完全包裹衬底主体(需要露出用于GaN生长的GaN单晶层表面)的防止金属扩散的保护层。如图1所示，该复合衬底首先包括一层导热导电层2，在该导热导电衬底上键合一层GaN单晶1，另包含一层未完全包裹的外部防止金属扩散保护层3。

上述导热导电层厚度为10微米～3000微米，优选为50微米～400微米。该导热导电层所选材料需满足以下特征：(1)熔点超过1000℃，或在1000℃下可以基本保持固态；(2)具有较高的导热特性和导电特性。

按以上要求，该导热导电层材料可以选择一些单质金属或合金或准合金，例如金属W，金属Ni，金属Mo，金属Pd，金属Au，金属Cr等，或以上金属的任意两种或两种以上的合金，或以上一种、两种或两种以上金属与Cu的合金，如WCu合金、MoCu合金以及NiCu合金等等材料。该导热导电材料还可以为Si晶体、SiC晶体或AlSi晶体等。

在导热导电层上的GaN层厚度为0.1微米～100微米，优选1微米～20微米。GaN层以单晶形式存在。