GaN材料键合技术研究进展
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( School of Physics, Peking Univer sity, Beijing 100871, CHN)
Abstract: The development of GaN material and its optoelectronic devices is one of the hot spots on optoelectronic research fields in recent years, and wafer bonding technology is an attractive fabrication method which has the potential for achieving desirable optoelectronic integrat ion. It may also open up a new array of optoelectronic devices that are otherwise not possible to be realized by using other growth techniques. In this paper, research advances and applicat ions of wafer bonding technology in the fields of GaN optoelectronic devices and its integrat ion are outlined.
( 1) 键合样品在 580 gf/ cm2压力的作用下, 对于 具有相当平整、光洁表面的 GaN 样品( 表面 1 Lm @1 Lm 范围内, 表面粗糙度为 1 nm; 而在 2 mm @2 mm 范围内表面粗糙度为 1. 5 nm) 在高达 900 e 温度条 件下才能键合成功, 而且键合重复性也不好。然而, 当把热处理温度升到 1 000 e , 不仅具有高质量表 面的 GaN 样品, 就是具有一般平整、光洁表面的 GaN 材料( 在 1 Lm @1 Lm 表面范围内, 表面粗糙度为 2. 6 nm; 而在 2 mm @2 mm 范围内表面粗糙度为 20 nm) 也能成功地键合。可见, 键合样品在较小压力的作 用下, 热处理温度对实现 GaN 材料直接键合起着重 要的作用。然而在高温条件下, 由于 N2解吸附作用 会使 GaN 键合界面上有 Ga 析出。
GaN 与 InP 键合 样品 的剖 面透射 电子 显微 镜 (TEM) 测量结果表明, 键合界面上不存在任何的空 隙和氧化层, 而且键合过程中产生的缺陷仅存在于 键合界面附近几个单原子层范围内, 这证明了直接 键合技术完全能保证 InP 和 GaN 晶体结构的完整性 并且保持原有晶体的质量。GaN 与 InP 材料的成功
Key words: GaN; wafer bonding; optoelectronic integrat ion
1 引言
在一般异质结外延生长中, 半导体材料之间高 的晶格失配和大的热膨胀系数差异将在异质结外延 片的界面上产生高密度的位错, 这些位错从界面一 直延伸到内部有源层, 导致光电子 器件性能下降。 然而键合过程是由界面上分子间作用产生的, 亦即 键合过程只发生在键合材料表面上。经实验研究证 明, 键合过程中产生的位错被局限在键合界面附近 零点几纳米的范围内, 因而不影响键合材料本身的 特性。近几年来, 利用键合技术已研制成功一般外 延生长技术无法实现的新型光电子器件, 例如, 硅基 InGaAs/ GaAs 应变量子阱激光器[ 1] 、硅基 1. 3 和 1. 55 Lm 波长 InGaAsP/ InP 双异质结量子阱激光器[2, 3] 、
# 377 #
SEMI CONDUCTOR OPTOELECTRONICS Vol. 24 No. 6
Dec. 2003
二极管、激光器的首选材料, 同时在高温微电子器件 方面也具有广阔的应用前景。GaN 材料一般是生长 在蓝宝石( 纤锌矿结构) 或 GaAs ( 闪锌矿结构) 衬底 上。把 GaN 外延层与其他半导体材料键合在一起 或把 GaN 外延层转移到其他衬底上, 可望能研制出 新型的 GaN 光电子器件并且实现与其他光 电子器 件的集成。近年来键合技术在 GaN 材料及有关应 用方面 也展开 了深入 的研 究, 本文就 键合 技术 在 GaN 光电子材料和器件方面的研究情况作一个概括 介绍。
( Smart2cut) 制作 SOI 器件的技术已经趋于成熟并且 实现了商品化[8] 。键合在微加工技术中也有着重要
的应用, 利用键合技术在光波波段研制成三维光子 晶体[9] 。
宽禁带的 Ó 族氮化物 GaN、InN 和 AlN 都是直接 跃迁能带结构, 它们的三元合金半导体材料具有很 宽的带隙变化范围( 1. 9~ 6. 2 eV) 。GaN 不仅具有 很稳定的物理和化学性质, 而且具有高热导、高电子 饱和速度、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度 等特性。它们是目前制备蓝光到紫外光波段的发光
5 半导体光电62003 年第 24 卷第 6 期
动态综述
袁志军 等: GaN, 高文胜, 唐昕龙, 邢启江
( 北京大学 物理学院, 北京 100871)
摘 要: GaN 材料及其有关光电子器件的研制是近年来光电子研究领域内的研究热点之一, 而键合技术又是光电子集成研究领域内一项新的制作工艺。利用键合技术也可以研制出一些新型 的光电子器件, 这些器件用其他生长技术是不可能实现的。概括地介绍了近年来键合技术在 GaN 光电子器件及其集成领域内的研究进展和应用情况。
5 半导体光电62003 年第 24 卷第 6 期
外微分量子效率为 15. 5% 。InGaN2GaN 发光二极管 的发射波长为 458 nm。
图 2 利用 直接键 合技 术把 AlGaInAs 量子 阱激 光器 与 GaN 发光二极管集成一整体的简图
P. D. Floyd 等人[12] 报道利用外延片直接键合 技术把 发射 波 长为 821 nm 的 Al0115Ga0. 7 In0. 15 As/ GaInP 量 子 阱 激 光 器 及 发 射 660 nm 波 长 的 AlInGaAs/ AlGaAs 量 子阱 激光器 和发射 波长为 446 nm 的 InGaN/ GaN 发光二极管集成在一起成为一个 组合器件。利用直接键合技术可以把不同波长的发 光器件集成在一起, 这将在激光打印、全色显示等方 面有着重要的实际应用。 2. 2 GaN 材料的同质结键合
收稿日期: 2003- 06- 11. 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 69976003) 1
高性能垂直腔面发射激光器[4] 、InGaAs2Si 雪崩光电 二极管[5] 、高量子效率低暗电流光探测器[6] 。利用
键合技术可以把一衬底上外延生长的器件结构层转
移到另一 个更为 适合 的衬底 上实现 所谓的- 层迁 移. , 从而大大提高原器件的性能并且提高光电子器 件设计和制作 的灵活性[ 7] 。利用键合 与智能剥离
键合不仅有可能解决 GaN 激光器研制过程中遇到 的谐振腔解理难的困境, 而且意味着以 GaN 为基的 光电子器件可以通过直接键合实现与 InP 为基的光 电子器件集成。
2 GaN 材料的直接键合
2. 1 GaN 与 InP 及 GaInP 的直接键合 GaN 外延生长一般采用的衬底是蓝宝石、GaAs
# 378 #
图 1 键合 的 InP/ GaN/ 蓝 宝石 异质结 结构 解理 面的 扫描 电 子显 微镜图片
GaN 与 InP 材料比较容易成功地键合并且能得 到平整、光洁的键合界面, 这与 InP 键合面上 In 原子 具有比较高的表面迁移率有关。由于 In 原子具有 比较高的表面迁移率, 因而有效地改善键合面粗糙 度的影响, 使 GaN 与 InP 表面很好地紧密接触容易 实现高质量的直接键合。例如, P. D. Floyd 等人[11] 利用 In 原子具有高迁移率有利外延片直接键合的 特点, 把 Ga0. 5In0. 5P 作为 In 原子迁移源, 在 650 e 下 利用 H2作保护气体成功地将 Ga0. 5 In0. 5 P 与 GaN 直 接 键 合 在 一 起, 从 而 把 发 射 波 长 为 820 nm 的 AlGaInAs 量 子阱 激 光器 与发 射 波 长为 458 nm 的 GaN 发光二极管键合在一起, 形成了一个以蓝宝石 ( 0001) 为基的器件集成结构, 其集成器件的结构如 图 2 所示。图 2 中 AlGaInAs 量子阱激光器结构是利 用低压 OMVPE 生长技术生长在 n+ 2GaAs 衬底上的。 激活层是由发射波长为 820 nm 的 Al015Ga0. 7In0. 15As 压应变单 量子阱和Al0. 4Ga0. 6As分别限制层组 成; p2 和 n2Al0. 5In0. 5P 作包层; 在 2 Lm 厚的 p2GaAs 欧姆接 触层外面生长了一层 50 nm 厚的 Ga0. 5In0. 5P 作为器 件的键合面。GaN 单量子阱发光二极管的激活层是 由In0. 3Ga0. 7N/ GaN 单量子阱 和 0. 2 Lm 厚的 p2GaN 顶层组成。整个发光二极管的结构是利用 OMVPE 生长技术生长在 A 面蓝宝石衬底上。Ga0. 5In0. 5P 和 GaN 键合面经清洁处理和化学腐蚀以后, 利用 H2作 保护气体, 在 650 e 下经 60 min 加压热处理以后, 就 成功地获得高质量直接键合。键合以后就形成了以 蓝宝石为基的 AlGaInAs 量子阱激 光器和 GaN 发光 二极管的集成结构。在这集成器件结构中 AlGaInAs 量子阱激光器脉冲激射的阈值电流为 21 mA, 单面
或 SiC, 而 其 中最 常 用 的是 蓝 宝石。由 于 蓝 宝 石 ( 0001) 的解理面不垂直于外延生长片的表面, 所以 很难通过解理办法在 GaN 外延层的端面上 得到适 合作 GaN 激光器谐振腔的反射面。
1996 年 R. K. Sink 等人[10] 通过 InP 和 GaN 之 间的直接键合, 经减薄、解理以后在 GaN 外延生长 片上得到了垂直于界面适合做激光器谐振腔用的光 学面。具体步骤 如下: 利用 MOCVD 生长技术 在蓝 宝石( 0001) 衬底上外延生长 1. 5~ 2. 5 Lm 厚的 GaN。 GaN 外延片和 InP( 100) 材料的键合面经严格清洁处 理后, 再利用浓度为 49% 的 HF 溶液清除两样品表 面的氧化层。在 HF 溶液中两样品面对面地紧压在 一起, 然后蒸发干样品表面的 HF 溶液, 在 750 e 温 度条件下热处理 60 min, 两样品就成功地键合在一 起。在键合过程中, 为了让气体和液体从键合界面 上逃逸出去, 在 InP 衬底上腐蚀出 10 Lm 宽、周期为 150 Lm 的通道。键合完成后把键合样品磨薄, 利用 InP 易解理的特性, 把键合样品沿着平行于 InP{110} 晶面方向解理开来。GaN 解理面用扫描电子显微镜 ( SEM) 测定的结果如图 1 所示意。通过比较图 1 中 GaN 和 InP 两个解理面( InP 解理面可作激光器的谐 振腔) 可以清楚地看到, 解理出的 GaN 端面 是一个 平整的光学镜面, 可以用作激光器谐振腔的反射面。
Abstract: The development of GaN material and its optoelectronic devices is one of the hot spots on optoelectronic research fields in recent years, and wafer bonding technology is an attractive fabrication method which has the potential for achieving desirable optoelectronic integrat ion. It may also open up a new array of optoelectronic devices that are otherwise not possible to be realized by using other growth techniques. In this paper, research advances and applicat ions of wafer bonding technology in the fields of GaN optoelectronic devices and its integrat ion are outlined.
( 1) 键合样品在 580 gf/ cm2压力的作用下, 对于 具有相当平整、光洁表面的 GaN 样品( 表面 1 Lm @1 Lm 范围内, 表面粗糙度为 1 nm; 而在 2 mm @2 mm 范围内表面粗糙度为 1. 5 nm) 在高达 900 e 温度条 件下才能键合成功, 而且键合重复性也不好。然而, 当把热处理温度升到 1 000 e , 不仅具有高质量表 面的 GaN 样品, 就是具有一般平整、光洁表面的 GaN 材料( 在 1 Lm @1 Lm 表面范围内, 表面粗糙度为 2. 6 nm; 而在 2 mm @2 mm 范围内表面粗糙度为 20 nm) 也能成功地键合。可见, 键合样品在较小压力的作 用下, 热处理温度对实现 GaN 材料直接键合起着重 要的作用。然而在高温条件下, 由于 N2解吸附作用 会使 GaN 键合界面上有 Ga 析出。
GaN 与 InP 键合 样品 的剖 面透射 电子 显微 镜 (TEM) 测量结果表明, 键合界面上不存在任何的空 隙和氧化层, 而且键合过程中产生的缺陷仅存在于 键合界面附近几个单原子层范围内, 这证明了直接 键合技术完全能保证 InP 和 GaN 晶体结构的完整性 并且保持原有晶体的质量。GaN 与 InP 材料的成功
Key words: GaN; wafer bonding; optoelectronic integrat ion
1 引言
在一般异质结外延生长中, 半导体材料之间高 的晶格失配和大的热膨胀系数差异将在异质结外延 片的界面上产生高密度的位错, 这些位错从界面一 直延伸到内部有源层, 导致光电子 器件性能下降。 然而键合过程是由界面上分子间作用产生的, 亦即 键合过程只发生在键合材料表面上。经实验研究证 明, 键合过程中产生的位错被局限在键合界面附近 零点几纳米的范围内, 因而不影响键合材料本身的 特性。近几年来, 利用键合技术已研制成功一般外 延生长技术无法实现的新型光电子器件, 例如, 硅基 InGaAs/ GaAs 应变量子阱激光器[ 1] 、硅基 1. 3 和 1. 55 Lm 波长 InGaAsP/ InP 双异质结量子阱激光器[2, 3] 、
# 377 #
SEMI CONDUCTOR OPTOELECTRONICS Vol. 24 No. 6
Dec. 2003
二极管、激光器的首选材料, 同时在高温微电子器件 方面也具有广阔的应用前景。GaN 材料一般是生长 在蓝宝石( 纤锌矿结构) 或 GaAs ( 闪锌矿结构) 衬底 上。把 GaN 外延层与其他半导体材料键合在一起 或把 GaN 外延层转移到其他衬底上, 可望能研制出 新型的 GaN 光电子器件并且实现与其他光 电子器 件的集成。近年来键合技术在 GaN 材料及有关应 用方面 也展开 了深入 的研 究, 本文就 键合 技术 在 GaN 光电子材料和器件方面的研究情况作一个概括 介绍。
( Smart2cut) 制作 SOI 器件的技术已经趋于成熟并且 实现了商品化[8] 。键合在微加工技术中也有着重要
的应用, 利用键合技术在光波波段研制成三维光子 晶体[9] 。
宽禁带的 Ó 族氮化物 GaN、InN 和 AlN 都是直接 跃迁能带结构, 它们的三元合金半导体材料具有很 宽的带隙变化范围( 1. 9~ 6. 2 eV) 。GaN 不仅具有 很稳定的物理和化学性质, 而且具有高热导、高电子 饱和速度、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度 等特性。它们是目前制备蓝光到紫外光波段的发光
5 半导体光电62003 年第 24 卷第 6 期
动态综述
袁志军 等: GaN, 高文胜, 唐昕龙, 邢启江
( 北京大学 物理学院, 北京 100871)
摘 要: GaN 材料及其有关光电子器件的研制是近年来光电子研究领域内的研究热点之一, 而键合技术又是光电子集成研究领域内一项新的制作工艺。利用键合技术也可以研制出一些新型 的光电子器件, 这些器件用其他生长技术是不可能实现的。概括地介绍了近年来键合技术在 GaN 光电子器件及其集成领域内的研究进展和应用情况。
5 半导体光电62003 年第 24 卷第 6 期
外微分量子效率为 15. 5% 。InGaN2GaN 发光二极管 的发射波长为 458 nm。
图 2 利用 直接键 合技 术把 AlGaInAs 量子 阱激 光器 与 GaN 发光二极管集成一整体的简图
P. D. Floyd 等人[12] 报道利用外延片直接键合 技术把 发射 波 长为 821 nm 的 Al0115Ga0. 7 In0. 15 As/ GaInP 量 子 阱 激 光 器 及 发 射 660 nm 波 长 的 AlInGaAs/ AlGaAs 量 子阱 激光器 和发射 波长为 446 nm 的 InGaN/ GaN 发光二极管集成在一起成为一个 组合器件。利用直接键合技术可以把不同波长的发 光器件集成在一起, 这将在激光打印、全色显示等方 面有着重要的实际应用。 2. 2 GaN 材料的同质结键合
收稿日期: 2003- 06- 11. 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 69976003) 1
高性能垂直腔面发射激光器[4] 、InGaAs2Si 雪崩光电 二极管[5] 、高量子效率低暗电流光探测器[6] 。利用
键合技术可以把一衬底上外延生长的器件结构层转
移到另一 个更为 适合 的衬底 上实现 所谓的- 层迁 移. , 从而大大提高原器件的性能并且提高光电子器 件设计和制作 的灵活性[ 7] 。利用键合 与智能剥离
键合不仅有可能解决 GaN 激光器研制过程中遇到 的谐振腔解理难的困境, 而且意味着以 GaN 为基的 光电子器件可以通过直接键合实现与 InP 为基的光 电子器件集成。
2 GaN 材料的直接键合
2. 1 GaN 与 InP 及 GaInP 的直接键合 GaN 外延生长一般采用的衬底是蓝宝石、GaAs
# 378 #
图 1 键合 的 InP/ GaN/ 蓝 宝石 异质结 结构 解理 面的 扫描 电 子显 微镜图片
GaN 与 InP 材料比较容易成功地键合并且能得 到平整、光洁的键合界面, 这与 InP 键合面上 In 原子 具有比较高的表面迁移率有关。由于 In 原子具有 比较高的表面迁移率, 因而有效地改善键合面粗糙 度的影响, 使 GaN 与 InP 表面很好地紧密接触容易 实现高质量的直接键合。例如, P. D. Floyd 等人[11] 利用 In 原子具有高迁移率有利外延片直接键合的 特点, 把 Ga0. 5In0. 5P 作为 In 原子迁移源, 在 650 e 下 利用 H2作保护气体成功地将 Ga0. 5 In0. 5 P 与 GaN 直 接 键 合 在 一 起, 从 而 把 发 射 波 长 为 820 nm 的 AlGaInAs 量 子阱 激 光器 与发 射 波 长为 458 nm 的 GaN 发光二极管键合在一起, 形成了一个以蓝宝石 ( 0001) 为基的器件集成结构, 其集成器件的结构如 图 2 所示。图 2 中 AlGaInAs 量子阱激光器结构是利 用低压 OMVPE 生长技术生长在 n+ 2GaAs 衬底上的。 激活层是由发射波长为 820 nm 的 Al015Ga0. 7In0. 15As 压应变单 量子阱和Al0. 4Ga0. 6As分别限制层组 成; p2 和 n2Al0. 5In0. 5P 作包层; 在 2 Lm 厚的 p2GaAs 欧姆接 触层外面生长了一层 50 nm 厚的 Ga0. 5In0. 5P 作为器 件的键合面。GaN 单量子阱发光二极管的激活层是 由In0. 3Ga0. 7N/ GaN 单量子阱 和 0. 2 Lm 厚的 p2GaN 顶层组成。整个发光二极管的结构是利用 OMVPE 生长技术生长在 A 面蓝宝石衬底上。Ga0. 5In0. 5P 和 GaN 键合面经清洁处理和化学腐蚀以后, 利用 H2作 保护气体, 在 650 e 下经 60 min 加压热处理以后, 就 成功地获得高质量直接键合。键合以后就形成了以 蓝宝石为基的 AlGaInAs 量子阱激 光器和 GaN 发光 二极管的集成结构。在这集成器件结构中 AlGaInAs 量子阱激光器脉冲激射的阈值电流为 21 mA, 单面
或 SiC, 而 其 中最 常 用 的是 蓝 宝石。由 于 蓝 宝 石 ( 0001) 的解理面不垂直于外延生长片的表面, 所以 很难通过解理办法在 GaN 外延层的端面上 得到适 合作 GaN 激光器谐振腔的反射面。
1996 年 R. K. Sink 等人[10] 通过 InP 和 GaN 之 间的直接键合, 经减薄、解理以后在 GaN 外延生长 片上得到了垂直于界面适合做激光器谐振腔用的光 学面。具体步骤 如下: 利用 MOCVD 生长技术 在蓝 宝石( 0001) 衬底上外延生长 1. 5~ 2. 5 Lm 厚的 GaN。 GaN 外延片和 InP( 100) 材料的键合面经严格清洁处 理后, 再利用浓度为 49% 的 HF 溶液清除两样品表 面的氧化层。在 HF 溶液中两样品面对面地紧压在 一起, 然后蒸发干样品表面的 HF 溶液, 在 750 e 温 度条件下热处理 60 min, 两样品就成功地键合在一 起。在键合过程中, 为了让气体和液体从键合界面 上逃逸出去, 在 InP 衬底上腐蚀出 10 Lm 宽、周期为 150 Lm 的通道。键合完成后把键合样品磨薄, 利用 InP 易解理的特性, 把键合样品沿着平行于 InP{110} 晶面方向解理开来。GaN 解理面用扫描电子显微镜 ( SEM) 测定的结果如图 1 所示意。通过比较图 1 中 GaN 和 InP 两个解理面( InP 解理面可作激光器的谐 振腔) 可以清楚地看到, 解理出的 GaN 端面 是一个 平整的光学镜面, 可以用作激光器谐振腔的反射面。
