氮化镓的激光剥离技术介绍

2024-08-27

一、什么是氮化镓激光剥离技术？

氮化镓是一种具备显著宽禁带特性的半导体材料，在微波功率晶体管及蓝色发光器件领域展现出非凡的应用潜力。鉴于自然界中氮化镓化合物的稀缺性，科研与生产实践中普遍采用异质外延技术来培育GaN晶体。这一过程中，如何高效且无损地将GaN晶体从其生长衬底（如蓝宝石）上分离出来，成为了一个关键技术问题。

以蓝宝石为基底生长氮化镓为例，激光剥离技术的核心机制在于精选一种特定波长的激光束（如由KrF紫外激光器产生的，波长恰好位于蓝宝石吸收阈值之上而氮化镓吸收阈值之下的248nm激光，配以38ns的脉冲宽度），从蓝宝石一侧对整个样品表面进行扫描。此激光能量被界面处的GaN高效吸收，触发GaN的热分解反应，生成金属镓（Ga）和氮气（N₂）。随后，通过加热处理，将样品温度提升至略高于镓的熔点（即约29.8°C，这里原文中的“29℃”可能是一个简化或误写，实际应为镓的熔点附近），使得分解产生的液态镓能够轻易地从蓝宝石衬底上脱离，从而实现GaN薄膜与衬底的有效分离。

尽管此方法在理论上能够实现GaN薄膜的剥离，但在实际操作中，精确控制激光参数以避免对GaN材料本身造成不必要的热损伤，仍是亟待解决的技术难题。

二、氮化镓激光剥离技术的技术原理

氮化镓激光剥离技术的原理是利用激光能量将氮化镓薄膜从其生长衬底上精确剥离的技术。该技术通过激光束对氮化镓薄膜进行照射，激光能量被氮化镓层选择性吸收，导致薄膜局部快速升温，进而引发热膨胀和应力积累。当应力达到一定程度时，氮化镓薄膜与衬底之间的界面发生断裂，实现薄膜的剥离。

在氮化镓激光剥离过程中，光源的选择至关重要。常用的光源包括准分子激光器和纳秒紫外激光器，这两种光源的光子能量均大于氮化镓的带隙，但小于常见衬底材料（如蓝宝石）的带隙。因此，激光能量能够高效地被氮化镓层吸收，而不会对衬底造成显著损伤。例如，北京工业大学季凌飞研究团队采用355nm、10ps的紫外超快激光进行辐照，实现了高效且低损伤的氮化镓薄膜剥离。

三、氮化镓激光剥离过程

准备阶段

确保氮化镓薄膜与衬底表面平整、无杂质，为后续激光剥离创造良好条件。

激光照射

将激光束以特定的波长、功率和脉宽照射在氮化镓薄膜上，使其吸收能量并发生热膨胀。

应力积累与断裂

随着激光能量的持续输入，氮化镓薄膜与衬底界面处产生应力积累，当应力达到临界值时，界面发生断裂，氮化镓薄膜从衬底上剥离。

后续处理

剥离后的氮化镓薄膜需进行清洗、检测等后续处理，以确保其质量和性能满足后续应用需求。

四、氮化镓激光的应用领域

光电子器件

氮化镓激光剥离技术在光电子器件制造中展现出巨大潜力。通过该技术获得的氮化镓薄膜具有高质量、低缺陷密度等特点，是制造高性能LED、激光器等光电子器件的理想材料。例如，利用氮化镓激光剥离技术制备的蓝光LED，因其高效的光电转换效率和良好的发光性能，在照明、显示等领域得到广泛应用。

太阳能电池

在太阳能电池领域，氮化镓材料因其高光电转换效率和抗辐射能力而受到关注。氮化镓激光剥离技术为制备高效、稳定的氮化镓基太阳能电池提供了有力支持。通过精确控制剥离过程，可以获得大面积、均匀的氮化镓薄膜，进而提升太阳能电池的转换效率和稳定性。

MEMS领域

随着微电子技术的不断发展，对高性能、低功耗器件的需求日益增长。氮化镓材料因其优异的电学性能，在微电子与集成电路领域具有广阔的应用前景。氮化镓激光剥离技术为实现氮化镓基微电子器件的精确制造提供了可能，推动了微电子技术的进一步发展。

近年来，氮化镓激光剥离技术不断取得新的突破。一方面，科研人员通过优化激光参数（如波长、功率、脉宽等），提高了剥离效率和质量；另一方面，新型激光器的研发和应用也为氮化镓激光剥离技术带来了新的发展机遇。例如，超快激光器因其短脉冲宽度和低热积累特性，在氮化镓激光剥离过程中表现出色，显著降低了剥离过程中的热损伤和残余应力。

除了技术层面的优化外，氮化镓材料本身及其相关器件的研究也取得了显著进展。研究人员通过调整氮化镓材料的生长条件、掺杂浓度等参数，提高了材料的晶体质量和光电性能；同时，针对氮化镓基器件的结构设计、制造工艺等方面进行了深入研究，推动了氮化镓器件向高性能、小型化方向发展。

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