新型导热导电GaN复合衬底的制备和应力机理研究

Due to the cost effectiveness and simple epitaxy technology, GaN template was considered as the important supplement for GaN homogeneous substrate. However, the sapphire substrate of the widely used GaN/Al2O3 template has very poor thermal and electrical conductivity which limited its application on high-temperature and power devices, meantime result in material wasting. In this program, we plan to fabricate 2-inch GaN/metal template using substrate transfer technology, and systematically explore the stress mechanism during this transfer process. Works include studying the key technology of laser-lift-off and medium bonding to fabricate 2-inch GaN/Metal template with low-defect density. Then taking into consideration of the interface reaction and material behavior variation with temperature, we are going to simulate the model of stress distribution during the whole substrate transfer process with ANSYS. By combining the theoretical analysis with experimental results and in-depth study of stress variation, distribution, and generation mechanism, we try to explore the effect of residual stress and find the way for stress control ultimately. The transferred GaN/Metal template will have good thermal and electrical conductivity, which can be used directly to fabricate new vertical LED chips, showing good market prospect.

GaN模板衬底具有性价比高、外延工艺简单等优点，是第三代半导体同质衬底的重要补充。然而，常用的GaN/蓝宝石模板中蓝宝石导热导电性能差，降低了材料利用率，限制了其在高温和大功率器件上的应用。本项目拟采用衬底转移技术制备导热导电GaN/金属模板衬底，并系统研究衬底转移过程的应力机理。具体内容包括：研发衬底转移中键合和剥离技术，实现2英寸GaN/金属模板衬底；综合考虑高温下物化反应、各材料属性随温度的变化以及界面连接情况，利用ANSYS获得GaN在衬底转移中应力分布和连续变化模型；结合理论模拟与实验验证，深入研究应力产生、变化以及分布规律，探索残余应力影响机理，依此提出应力调控手段。本项目拟实现的GaN/金属模板衬底兼具同质外延和导热导电特性，可用于直接制备垂直结构LED，为实现新型垂直结构LED奠定基础，且建立衬底转移过程的应力机理可以为应力调控提供科学依据，并完善GaN外延过程的应力机理。

GaN模板衬底具有性价比高、外延工艺简单等优点，是第三代半导体同质衬底的重要补充。然而，常用的GaN/蓝宝石模板中蓝宝石导热导电性能差，降低了材料利用率，限制了其在高温和大功率器件上的应用。本项目采用新型的衬底转移技术制备了适用于GaN同质外延的导热导电型c面GaN/Mo模板衬底，并系统研究衬底转移过程的应力机理，具体研究内容分为四个部分：1）深入研究了金属衬底表面改性、高温键合、激光剥离、衬底表面后处理等关键技术，开发了基于两次连续GaN薄膜翻转工艺的新型衬底转移技术，制备适合后续GaN同质外延和芯片工艺的导热导电c面GaN/Mo模板衬底；2）兼顾GaN/Mo模板衬底的热稳定性、物化性质及同质外延质量，设计外延层结构，并通过调整外延温度、气氛、压强等生长参数，实现其上高质量MQWs/P-GaN结构外延生长验证；3）综合考虑高温下物化反应、各材料属性随温度的变化以及界面连接情况，利用ANSYS研究衬底转移和外延过程中的应力变化情况，结合衬底转移各工艺环节的应力测试和计算结果，验证模型的准确性，不断优化模型；4）利用ANSYS获得GaN在衬底转移中应力模型，探索残余应力影响机理，依此提出了高温键合、双面键合、两次翻转等应力调控技术，并为键合介质层和后续LED外延结构设计提供了理论指导。本项目实现了兼具同质外延和导热导电特性的2英寸c面GaN/Mo模板衬底，转移后GaN/Mo模板衬底的（002）和（102）半高宽分别为266.7arcsec和365.0arcsec，曲率半径为13.61米，表明GaN外延层已经成功的转移到Mo衬底上，且保持致密的纤锌矿结构，且在转移后的GaN/Mo复合衬底上外延MQWs/p-GaN结构实现蓝光发射，且没有明显的衰退，同时建立了衬底转移和后续同质外延过程的应力模型，为应力调控提供科学依据，依此研发了双面键合、高温键合、表面改性和两次翻转等新型应力调控手段。本项目获得的GaN/Mo模板衬底在大功率GaN功率器件、GaN射频器件和垂直结构LED器件具有较大的潜力，为实现新型垂直结构光电和电子器件奠定基础。