（凝聚态物理专业论文）gan+led器件外延膜的激光剥离的研究.pdf

g a nl e d 器件外延膜的激光剥离的研究 摘要 g a n 及其化合物是直接带隙半导体材料，它的禁带宽度从1 9 e v 6 2 e v 连续可 调，发光范围覆盖了从红色到紫外的光谱，c a n 材料是一利- 理想的短波长发光材料。 它主要用于制作蓝、紫、紫外发光二极管( l e d ) ，激光器( l d ) 、紫外( u v ) 光电探 测器等光电子器件。g a n 和s i 之间的晶片键合和激光剥离工艺可以很方便的实现 不同材料的集成，为g a n 基材料的外延生长、器件的工艺制作提供一个新的研究 方向。 本文利用键合和激光剥离技术，实现了巾2 英寸g a nl e d 器件外延薄膜的激 光剥离，并且实现蓝宝石衬底的重新利用。通过理论计算优化激光剥离的参数，利 用衬底加热的方式实现降低阈值密度快速的激光剥离。目前国内外还没有这样的报 道。并获得了以下的研究结果。 ( 1 ) 实现2 英寸g a nl e d 外延膜的大面积完整剥离，剥离后的表面非常完整，没 有裂纹。剥离后的样品保留了i n g a n g a n 有源层结构。剥离后表面粗糙度增大， 一方面是由于在剥离过程中g a n 薄膜的热分解引起的；另一方面是由于剥离开的 表面原来与蓝宝石相连，蓝宝石和g a n 的晶格失配较大。 ( 2 ) 在剥离掉的蓝宝石( q - a 1 2 0 3 ) 衬底一 ：成功的外延生长i n g a n g a nm q w s l e d 器件结构，实现了蓝宝石衬底的重复利用，并与同一生长条件下有蓝宝石衬底 上的g a nl e d 对比。对比结果表明，剥离掉的蓝宝石衬底上重新生长的g a nl e d 外延膜比较后者，p l 峰值波长发生蓝移，这是由于外延生长前对剥离掉的蓝宝石进 行正面抛光处理，衬底正面抛光使g a nl e d 外延膜应力发生释放。 ( 3 ) 理论上分析压了强和g a n 分解温度的关系，提出一种町以通过降低气压实现 快速、低功率激光剥离g a n 基外延膜的方法。 ( 4 ) 通过加热衬底温度，减小激光剥离的阈值功率密度，放大光斑，实现快速的 激光剥离。 本论文得到国家自然科学基金6 0 2 7 6 0 2 9 和福建省自然科学基金a 0 2 1 0 0 0 6 的资助。 关键词：g a n ：激光剥离；蓝宝石衬底抛光；衬底加热 a b s t r ac t g a ni sav e r yf a v o r a b l em a t e r i a l ss y s t e mf o rs h o r t - w a v e l e n g t ho p t i c a ld e v i c e t h eb a n dg a po fg a n b a s e dm a t e r i a lc a nb et u n e db e t w e e n1 9e va n d6 2e v , r a n g i n gf r o mr e dt ou l t r a v i o l e t ( u v ) t h eg a n b a s e ds y s t e m sh a v ep r o m i s i n g a p p l i c a t i o n si nt h eo p t o e l e c t r o n i ci n d u s t r y ，i np a r t i c u l a rb l u e u vl i g h tl e d s 、l a s e r d i o d e s ( l d ) 、u vd e t e c t o r s ac o m b i n a t i o no fw a f e rb o n d i n ga n dt h i n - f 1 ml i f c o f r o f f e r st h eg r e a t e s tf l e x i b i l i t yo fj o i n i n gd i s s i m i l a rm a t e r i a l sa n dp r o v i d e san e w r e s e a r c hf o rg r o w t ha n dd e v i c ef a b r i c a t i o n i nt h i sa r t i c l es u c c e s s f u ls e p a r a t i o no fg a nf r o mg a n s a p p h i r es t r u c t u r e sw a s a c c o m p l i s h e db yl a s e rl i f t - o f f ，a n dt h er e u t i l i z a t i o no fs a p p h i r es u b s t r a t ew a s r e a l i z e d w ea l s oo p t i m i z et h ep a r a m e t e r so fi i f 【一o f f p r o c e s s 。a n di o w e rt h e t h r e s h o l de n e r g yd e n s i t yt oq u i c kl a s e rl i f to f fp r o c e s s t h e r ea r en o ts u c hr e p o r t s a th o m ea n da b r o a dy e t m a i nw o r k si n c l u d e ： ( 1 ) at h i ng a nl e df i l m s ，g r o w no n2i n c hd i a m e t e rs a p p h i r es u b s t r a t e s ，w a s s e p a r a t e db yl a s e rl i f t o f f t h et r a n s f e r r e dg a nt h i nf i i mi ss m o o t ha n di n t a c t i t r e m a i n st h ei n g a n g a nm q w ss t r u c t u r a la n di ti sr o u g h e rc o m p a r e dt h eo n e b e f o r et h el i f t - o f fp r o c e s s i ti sd u et ot h e r m o d y n a m i cd e c o m p o s i t i o no fg a nf i l mi n t h el i f t - o f fp r o c e s sa n dh i g hl a t t i c em i s m a t c hb e t w e e nt h eg a na n ds a p p h i r e ( 2 ) l n g a n g a nm u l t i - q u a n t u m w e l l s ( m q w s ) s t r u c t u r ew a sg r o w no nt h e s e p a r a t e ds a p p h i r es u b s t r a t el a t e ra n dc o m p a r e dw i t ht h a t o fg r o w no nt h e c o n v e n t i o n a ls u b s t r a t ei nt h es a m ec o n d i t i o n p ls p e c t r u ma n dr a m a ns p e c t r u m i n d i c tt h a tp lp e a kb l u e s h i f td u et ot h er e l a x a t i o no fg a nl e df i l m sa f t e rs a p p h i r e p o l i s h i n gp r o c e s s b yt h ec o m p a r i s o no fx r ds p e c t r u m ，t h em e c h a n i c a lp o l i s h i n g p r o c e s st a k e sb a de f f e c tt ot h eg a nf i l m sq u a l i t y i no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t yo f c r y s t a lq u a l i t y , f u r t h e rs t u d ya b o u tp o l i s h i n gt e c h n i q u eo fs a p p h i r es u b s t r a t em u s t b ec a r r i e do u t ( 3 ) b ya n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep r e s s u r ea n dd e c o m p o s e t e m p e r a t u r eo fg a n ，an o v e lm e t h o dw a sp r e s e n t e dt ol o w e re n e r g yd e n s i t ya n d a i mf a s tp r o c e s s i n g ( 4 ) w ea c h i e v ef a s tp r o c e s s i n go fl a s e rl i f t - o f fb yh e a t i n gt h es u b s t r a t ew h i c h c a nl o w e rt h r e s h o l dd e n s i t ya n dm a g n i f yt h ef a c u l a k e y w o r d s ：g a n ：l a s e rl i f t - o f f ：p o l i s h i n gt e c h n i q u eo fs a p p h i r es u b s t r a t e = 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均在文中 以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学术活动规 范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的资 助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课题或 课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特别声 明。) 声明人( 签名) ：蓣匝 砷年6 月肜。日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办法 等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交学位论 文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书馆及其数 据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国博士、硕士 学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出 版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文，于 年月日解密，解密后适用上述授权。 j ( 、j ) 2 不保密，适用上述授权。 v ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文应 是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密委员 会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开 学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ：芳7 互 吲年6 月f 9 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 由于g a n 基光电子器件在应用领域的快速发展，p i 前i i i v 族氮化物半导体 受到广泛的关注。g a n 材料具有大的饱和电子漂移速率、高结温、大的能带偏移 和击穿场( 3 1 0 y c m ) ，这些特点注定它们特别适用于高温、高频大功率、抗辐 射、抗腐蚀的电子器件。除此之外，g a n 材料是一种理想的短波长发光材料，c a n 及其化合物的禁带宽度从19 e y 6 2 e v 连续可调，发光范围覆盖了从红色到紫 外的光谱。它主要用于制作各种各样的蓝、绿、白光发光= 极管( l e d ) ，蓝紫、 紫外激光器( l d ) 、紫外( u v ) 光电探测器等光电子器件“，是第三代半导体 材料的佼使者，有着广阔的应用前景，引起了许多学科专家的极大兴趣。g a n 和s i 之问的晶片键舍和激光剥离工艺可以为g a n 基材料的外延生长、器件的工 艺制作提供一个全新的研究方向。 1 2g a n 材料的晶体结构与性质 在通常情况下，g a n 及其有关化合物一般以三种晶体结构形式存在：具有 六方对称性的纤锌矿结构( w u r t z i t e ) ，和立方对称的闪锌矿结构( z j c b l e n d e ) ， 以及岩盐矿结构( r o c k s a l t ) 。三种结构如图1 1 所示。 ( a )( b ) 图卜lg a n 的三种基本结构 ( a ) 纤锌矿结构( b ) 闲锌矿结构 ( c ) i ，j j 。夕 尹j ，产j 。奎一t 争 ( c ) n a c l 结构 凶dri， 第一章绪论 六方对称的纤锌矿结构是g a n 、a i n 、i n n 及相关化合物的稳定结构，其单 胞包含四个原子，由两套密排六方点阵沿c 轴方向平移5 c 8 套构而成，沿晶胞 方向原子呈a b a b a b a b 顺序堆垛。具有立方对称性的闪锌矿结构为 亚稳相，具有立方单胞，由两套面心立方点阵沿对角线方向平移i 4 对角线长度 套构而成，沿晶胞( 1 1 1 ) 方向呈a b c a b c 顺序堆垛。食盐结构是一种只有 在高压情况下才存在的相。 撕 渤 图1 - 2 纤锌矿型和闪锌矿型晶体结构堆垛方式 ( a ) 六方相在 1 1 - 2 0 轴沿 0 0 0 1 方向的堆垛( b ) 立方相在 0 1 1 轴沿 1 1 1 方向 的堆垛 表1 1 列出了六方纤锌矿结构g a n 晶体的基本性能。 表卜1 六方g a n 基材料参数口1 六方纤锌矿g a n 禁带宽度e g ( 3 0 0 k ) = 3 3 9 e v ；e g ( 1 6 k ) = 3 5 0 3 e v 带隙温度系数 d e g d t = 6 0 x 10 珥e v k ( t 18 0 k ) e g = 3 5 0 3 + ( 5 0 8x 10 - 4 - f 2 ) ( t - 9 9 6 ) ( e v ) e g = 3 4 6 - - ( 5 0 8 x1 0 珥) t ( e v ) ( 3 0 0 - - 9 0 0 k ) 带隙压力系数 d e g l d p = 4 2 10 q e w k b a ( 3 0 0 k ) 比热c p ( t ) = 9 1 + ( 2 1 5 x1 0 。叶) ( c a l m o l 1 k 1 ) 2 揩 o o 囊 c 鑫 c 纛 辨 婚 洲 瓣鼬 i h 第一章绪论 热膨胀系数 a a a = 5 5 9x10 6 k b c c = 3 17x10 墙k ( 3 0 0 7 0 0 k ) ； 7 7 5x10 。6 k ( 7 0 0 9 0 0 k ) 热导率 k = i 3 w c m k ( 2 5 - 3 6 0 k ) 泊松比0 3 7 2 杨式模量 1 5 0 g p a ( 方向) 折射率n ( 1 e v ) = 2 3 3 1n ( 3 3 8 ) = 2 6 7 g a n 键能2 2 e v 分解温度8 5 0 熔点 1 7 0 0 l 自发极化常数 0 0 2 9 ( c m 。2 ) 压电极化常数 e 3 3 = 0 4 4 ，0 6 5 ，0 7 3 ，1 ( c m 2 ) e 3 1 = 0 4 9 ，一0 3 6 ，0 3 3 ，0 2 2 ( c m 。2 ) 形变势 4 e v 摩尔质量 8 3 7 2 8 9 m o l 比重 3 0 1 4 k g m 3 介电常数e r = 8 9 ，9 5 ：5 3 5 电子亲和能 4 1 e v 电子有效质量 m c 。= ( 0 2 2 + _ 0 0 3 ) m o 电子态密度n c = 2 6 0x10 1 8 c m 3 空穴有效质量m = o 0 5m o 德拜温度 6 0 0 k 声子模式 a 1 ( t o ) = 5 3 3 c m 1 e 1 ( t o ) = 5 5 8c m 1 e 2 ( l o w ) = 14 4c m ，e 2 ( h i g h ) = 5 6 8c m 。1 a 1 ( l o ) = 7 3 1 c m 。1 e 1 ( l o ) = 7 4 1 c m 1 3 第一章绪论 1 36 a n 基材料的生长 g a n 是蓝光器件材料，从2 0 世纪7 0 年代初就对它开展了研究工作，但进展 很慢，直到最近几年才获得突破性的进展。g a n 制作的蓝色高度发光二极管已成 为商品在市场上销售。 g a n 的熔点约为1 7 0 0 ，在这个温度下氮的蒸气压可达4 5 1 0 9 p a 。即使 在1 2 0 0 , - - - , 1 5 0 0 温度范围内生长，氮的压力仍然为1 5 1 0 9 p a ，并且n 在g a 中 的溶解度低于l ，因此，很难生长体单晶。由于得不到g a n 衬底材料，所以 g a n 只能在合适的衬底上进行异质外延生长，所采用的外延方法有h v p e 、m b e 、 m o c v d 及离子体激活n 2 辅助外延生长等。其中m o c v d 是使用最广泛和实用的 外延生长方法，具有很强的工业应用背景。m b e 能够生长出高质量的g a n ，但 生长速度较慢，一般用于实验室研究。氢化物气相外延技术由于生长速率高 ( 1 0 0 p m h ) ，制造成本低，成为目前制备g a n 衬底最有希望的技术h 1 。 当前商品化的g a n 器件普遍选用( 0 0 0 1 ) 面q - a 1 2 0 3 ( 蓝宝石) 衬底、( 0 0 0 1 ) 面6 h s i c 衬底、s i 衬底等。衬底的选择要考虑晶格失配度，热膨胀系数失配度， 价格是否适宜等因素。因此它们有各自的优缺点。s i 衬底价格低，最大尺寸能达 到1 2 寸，加工、集成都比较方便，但是s i 衬底与g a n 之间几乎1 0 0 的热失配，极 大地限制了g a n 薄膜的生长和质量。s i c 衬底上的器件质量最好，但价格昂贵，不 适于大批生长。蓝宝石的价格相对低廉，通过生长工艺的优化，可以得到器件质 量的材料，l e d 、l d 等基本都是使用它作为衬底，是目前研究与产业化中最为常 用的衬底。但是蓝宝石作为发光二极管( l e d ) 衬底存在以下缺点：( 1 ) 存在着 较大的晶格失配和热膨胀，导致g a n 外延层中包含大量缺陷和位错。( 2 ) 蓝宝 石较差的导热性，不利g a n 基器件的散热。( 3 ) 蓝宝石导电性能差，只能做成n 、 p e g 极同侧的台面结构，这样减少了有源层的发光面积，提高器件的开启电压。 这些难题促使了g a n 外延层和蓝宝石衬底分离技术的研究和发展。 4 第一章绪论 1 4g a n 材料键合与激光剥离技术的研究进展 其中激光剥离技术是解决这一问题的重要方法之一。激光剥离技术利用紫外 波段的激光光源( e g i a s e r e g g a n ) 透过蓝宝石衬底辐照样品，使蓝宝石g a n 界面处 的g a n 吸收激光能量，g a n 材料温度迅速升高，发生热分解生成金属g a 以及n 2 。 n 2 逸出，加热样品至金属g a 的熔点( 3 0 。c ) ，使g a 融化，即能实现蓝宝石与g a n 的分离嘲一。 剥离之前将g a n 基外延片键合在其他高电导率、热导率衬底上，再结合激 光剥离技术可以获得无蓝宝石衬底的g a n 基光电子和电子器件。由于激光剥离技 术能够从根本上解决蓝宝石衬底对g a n 基l e d 带来的不利影响，并且高效率、 低损伤，成为新的研究热点。 1 4 1g a n 与si 片的键合技术 晶片键合技术( w a f e rb o n d i n gt e c h n i q u e ) n 3 h 1 引一般是指不经过任何微胶层 或施d n # t - 力的情况下把两个镜面抛光的晶片在室温下键合在一起的过程。在实际 应用中，这种技术一般运用于微电子或者光电子领域的半导体晶片的键合，如s i 或g a a s 等。键合的主要方法有：熔融键合( f u s i o nb o n d i n g ) l 1 6 j 、阳极键合( a n o d i c b o n d i n g ) 1 利、低温玻璃键合( 1 0 wt e m p e r a t u r eg l a s sb o n d i n g ) 1 引、低温共熔体 键( e u t e c t i cb o n d i n g ) 、粘合键合( a d h e s i v eb o n d i n g ) 、直接键( d i r e c t b o n d i n g ) 2 、低温真空键合( 1 0 wt e m p e r a t u r eu h vb o n d i n g ) 22 | 。 在这些键合方法中，低温共熔体键合是最具有发展与应用潜力的种键合方 法。低温共熔体键合是指在键合的晶片的界面上采用溅射或者蒸发的方法蒸上一 层熔点较低的金属，以这层金属为键合介质的键合技术。所采用的共熔体的熔点 温度一般较低，女l i a u b e 、a u g e 合金等，其作用是为了在较低的退火温度下完成 材料性质差别较大的金属之间的键合。由于金属具有很好的延展性，可以抑制键 合晶体的热应力的释放。金属层的作用不但是将两个晶片键合到一起，而且还可 以作为反射层以提高器件的光释放效率这种技术的缺点在于金属层在比较高的 5 第一章绪论 温度下就可以向半导体晶片发生扩散，降低器件的寿命。由于金属介质层的选用， 可以使晶格失配很大的两种晶体很容易地结合到一起而不用考虑晶向问题；同 时，金属层对于器件所发出的光的高反射效果还可以使它作为一个镜面来使用； 而且由于金属的可选择性，键合界面的接触电阻问题也迎刃而解。 1 4 2g a n 基外延层膜的激光剥离 针对g a n 基l e d 衬底存在的问题，1 9 9 6 年m k k e l l y 首次提出采用脉冲 激光将g a n 外延层与蓝宝石衬底剥离l 2 3 j 。 1 9 9 8 年，美国加利福尼亚大学伯克利分校的w s w o n g 等人实现蓝宝石g a n 环氧树脂s i 结构的激光剥离。利用环氧树脂胶将背面抛光的g a n 外延片粘 到一块掺硼的p 型s i 晶片上，用k r f 准分子激光器从蓝宝石一面扫描整个样品。 在4 0 0 m j c m 2 能量密度激光辐射下能成功的实现g a n 与蓝宝石衬底的分离。之后， 通过加热衬底( 加热到g a 的熔点2 9 c 以上) 去除表面的g a 得到成功转移到s i 衬底上的3 x 4 m m 的g a n 外延层薄膜。利用s e m 观测g a n 环氧树脂s i 结构，转 移的g a n 薄膜的表面光滑。分离后的e - 20x r d 谱中可以很明显的看到g a n ( 0 0 0 2 ) 和s i ( 1 11 ) 的峰。扫描表明转移到s i 衬底的g a n 薄膜仍保持六方对称的纤 锌矿结构，证实了在激光剥离的过程中g a n 的结构完整性没有改变。x r c 谱表明 剥离前后的g a n 薄膜的半高宽基本不变，具有很好的材料品质。 采用s i 衬底作为激光剥离的转移衬底，是实现无损伤的激光剥离的有效方 法。但由于s i 与g a n 的键合工艺较复杂，且键合强度与键合均匀性很难控制，从 而影响激光剥离的稳定性。2 0 0 7 年北京工业大学方圆等人在g a n 薄膜表面电镀 厚1 0 0um 的、均匀的金属铜作为转移衬底瞄引。采用激光剥离技术，在4 0 0 m j c m z 脉冲激光能量密度条件下，成功地将g a n 薄膜从蓝宝石衬底转移至c u 衬底。激光 剥离后c u 衬底上g a n 薄膜的扫描电子显微镜( s e m ) 测试结果表明，电镀c u 衬底与 g a n 之间形成致密的结合，对g a n 薄膜起到了很好的支撑作用。同时铜的延展性 好，使得g a n 薄膜内产生的应力得到有效释放，保持了剥离后g a n 薄膜的完整性。 2 0 0 2 年徐剑等人利用同样的方法通过激光剥离技术，再加上硅片粘结和分 离技术，获得自支撑的大面积g a n 比6 | 。在激光辐射出去蓝宝石衬底之后，将所得 6 第一章绪论 的g a n s i 结构浸入有机溶剂中，或者将其在5 0 0 c 退火，从而可以获得面积达 1 2c r u x1 4c m 的自支撑g a n 。测试结果说明在分离以后g a n 仍然保留了它固有 的性质，证明激光剥离是一种无损伤的获得大面积自支撑g a n 材料的方法。而且， 相对于传统的牺牲衬底的分离方法而言，激光剥离不仅可以保留蓝宝石衬底，而 且大大缩短了处理时间2 7 j 。 1 4 3g a n 基l e d 激光剥离 激光剥离技术与键合技术相结合能将g a n 基l e d 器件从蓝宝石衬底转移到 新的衬底上，极大改善器件的散热性能，提高l e d 的出光效率。自1 9 9 6 年k e l l y 首次提出采用波长3 5 5 n m 的脉冲激光将g a n 外延层与蓝宝石衬底剥离乜町以来， 这一技术得到了快速发展。键合技术与激光剥离技术相结合实现g a n 外延层衬底 转移是制备基于激光剥离技术的垂直结构g a n 基l e d 的关键。 1 9 9 9 年，w s w o n g 等人利用激光剥离技术得到自支撑的i n g a nl e d 皤圳。 他们将m o c v d 中生长在( 0 0 0 1 ) 蓝宝石衬底上的i n g a nm q wl e d 利用等离子刻 蚀出台面，再用有机胶将处理好的l e d 与p 型( 0 0 0 1 ) s i 外延片粘在一起。用 一束能量密度6 0 0 m j c m 脉冲激光从蓝宝石一面扫描整个样品，成功的实现g a n 与蓝宝石衬底的分离。之后，样品浸入丙酮将胶溶解去掉s i 衬底，得到面积达 l c m 的自支撑的g a nl e d 。在直流l o m a 的正向电压下样品剥离前后的发光波长 均为3 8 9 n m ，半高宽l o n m ，表明剥离后的i n g a nl e d 的光学性质没有降低。剥离 前后的样品具有相同的i v 特性和开启电压，表明剥离过程对i n g a nl e d 薄膜 没有造成热和应力的损伤。 2 0 0 2 年孙元平等人瞄w 采用多种金属材料形成的中介粘结层成功地将生长 在g a a s 衬底上的g a n 与s i 键合在一起，然后利用机械减薄和化学腐蚀的方法去 除g a a s 吸收衬底，成功地将g a n 发光二极管( l e d ) 转移到s i 衬底上。经s e m 和 p l 测量，同样证明了采用中介金属材料进行键合不会影响g a n 材料的光学性质。 2 0 0 4 年，t f u j i i 等人通过激光剥离和表面粗化，提高g a nl e d 出光效率 u 1 。他们在g a np 型层表面和s i 上分别溅射a g a u s n 和a u ，利用键合和激光 7 第一章绪论 剥离技术得到s i 衬底的g a n ，利用k o h 溶液和x e 灯照射腐蚀n 面g a n 表面，此 时n 面g a n 显示出六角锥型的表面形貌。l - i 测试表明，由于s i 衬底具有良好 的热导率，在一定电流下表面粗化的g a n 的输出功率是普通l e d 的2 3 倍。 2 0 0 6 年台湾s h a o - - h u ah u a n g 等人利用i t o 和a l 作为反射镜面，改善倒装 的g a nl e d 的性能。记。首先利用m o c v d 生长在( 0 0 0 1 ) 蓝宝石衬底上带有透明 电极i t o 的g a n ，利用i c p 刻蚀出3 0 0um 3 0 0um 的台面，i t o 与s i 片表面分 别溅射a 1 t i a u ，然后键合在一起。之后利用激光成功剥离2i n c h 的g a n 蓝宝 石衬底，再利用k o h 溶液刻蚀掉表面未掺杂的g a n 层并进行表面粗化，制作出n 面朝上的g a n 反射镜s i 垂直电极的l e d 结构。l - i 测试表明在2 0 m a 下，剥离 后并进行表面粗化的l e d 光通亮强度是普通g a nl e d 的5 倍，输出功率8 9 m w ， 大于普通g a n 蓝宝石l e d ( 4 5 m w ) ，表现出良好的光学特性。 1 4 4 激光剥离技术在激光器中的应用 2 0 0 4 年黎子兰等人运用激光剥离技术对蓝宝石衬底i n g a n 多量子阱l d 结构 外延片进行了剥离，将l d 结构薄膜转移到容易解理的新衬底上，如四方晶向的硅 片或i n p 晶片瞄引。具体方法如下：将i n g a nl d 外延片粘在( 0 0 1 ) 晶向的硅片或 i n p 晶片上，以硅或i n p 的一个解理面作为基准面，使蓝宝石解理面与此基准面 相平行。通过解理与硅片或i n p 晶片基准面相垂直的解理面，即可获得g a n 外延 层解理面。利用扫描电镜( s e m ) 对该解理面与直接解理蓝宝石得到的g a n 面进 行了对比，剥离下来的i n g a nl d 薄膜所得解理面平整光滑，质量要远远好于直 接解理蓝宝石衬底所得g a n 面。为进一步加工激光器谐振腔创造了条件。 2 0 0 8 年，厦门大学张保平等人采用m o c v d 技术在蓝宝石衬底上进行高质量 氮化物增益区的外延生长，在表面沉积高反射介质膜分布布拉格反射镜( d b r ) 。然后将样品键合到其它支撑片上后，采用激光剥离技术将蓝宝石衬底去除 通过优化激光剥离的工艺条件，使得激光剥离露出g a n 表面的平整度保持在一个 比较好的水平，在其上能够直接沉积d b r 再在去除蓝宝石后露出的氮化物表面沉 积第二组介质膜d b r ，成功地制成v c s e l 利用晶片键合和激光剥离技术能在不改变原来g a n 晶体结构和光学性质的 8 第一章绪论 前提下将g a n 外延层迁移到s i 上，这为研制s i 基g a n 微电子器件和光电子器件 及s i 基集成开辟了一条新的途径。而且能够实现生长在蓝宝石衬底上的g a n 完 整大面积的剥离，是制备基于激光剥离技术的垂直结构g a n 基l e d 的关键，为大 功率垂直结构器件提供了更广泛的衬底选择空间。 1 5 材料表征 g a n 的物理表征有以下几个方面：形貌观察、组分、结构和性质。形貌观察 常用的是扫描电子显微镜( s e m ) 、原子力显微镜( a f m ) 和光学显微镜；组分分 析有二次离子质谱仪( s i m s ) 、光致发光( p l ) 、x 射线衍射仪( x r d ) 和俄歇电 子能谱( a e s ) ；结构分析常用x 射线和隧道电子显微镜( t e m ) ；光学性质有p l ； 电学性质常用霍尔测量和c - v 测最。我们根据实际情况，对g a n 进行分析表征， 采用的方法有：原子力显微镜( a f m ) 测量表面形貌，光致发光p l 测量发光谱峰 和半高宽，x r d 测试界面质量，拉曼( r a m a n ) 测试应力。 本章将简要介绍本文所涉及的几种表征方法的原理和设备。 1 5 1x 射线双晶衍射技术 x 射线双晶衍射技术以高精度、高分辨率和无损伤等特点成为表征晶体结晶 质量和研究薄膜材料结构特性的重要手段之一。利用它可获得外延膜层厚、合金 组成、界面质量、应力及弛豫等信息。图卜3 为本实验室使用的型号为b e d e q c 2 0 0 的x 射线双晶衍射仪的几何原理图，其中x 射线为c u k a ( 入= 1 5 4 0 5 6 a ) ，经过适 当的狭缝准直后，再经过一固定的参考晶体g e ( 第一晶体) 的衍射，根据衍射 条件，发出的波长将在衍射方向上得到近乎单色且平行性好的窄射线束，这个射 线束作为第二晶体( 样品) 的入射束。样品和探测器按布拉格衍射关系分别在布 拉格角0 和20 附近摆动。根据布拉格定律n 入= 2 d s i n0 ，其中1 1 是衍射级数， 灭是入射x 射线的波长，d 是衍射面的面距离，0 是掠射角。x 射线以一定的入 射角照在样品上时，晶体在入射与衍射面摇摆而产生衍射图形。 x r d 有两种基本的扫描方式：扫描( 或摇摆曲线) 和- 20 扫描。其中摇 摆曲线是用来分析外延层结晶质量最常用的x 射线衍射扫描，它可以为不同样品 的晶体质量提供评估，但是由于衬底与外延层之间存在巨大的失配，摇摆曲线的 9 第一章绪论 半高宽很宽，它只能提供定性比较，而一20 扫描扫描曲线是评估高应力外延材 料质量更好的选择，在这种方式下，由于探测器随样品一起移动，所以所测量的 衍射角为常数，与摇摆曲线相比，其衍射峰更窄，交叠也更少，可用来表征材料 晶体质量，并常用来估算合金的组成。 参考晶体 x 射线样品 图1 3x 射线双晶衍射仪的几何原理示意图 1 5 2 原子力显微镜( a f s ) 探测器 a f m 是一种可对物质的表面形貌、表面微结构等信息进行综合测量和分析的 第三代显微镜。它具有分辨率高、工作环境要求低、待测样品要求低、成像载体 种类多以及制样简单、不需要重金属投影等优点，在科学研究中得到广泛应用 3 5 o a f m 是依靠测量探针和样品表面的作用力来成像的，其基本工作原理见图 1 4 。在一个对原子见微弱力极其敏感的微悬臂的一端有一微小探针，当探针在 样品表面扫描至接近原子级间距时，探针尖端的原子与样品表面的原子之间就会 产生极其微弱的作用力，从而使微悬臂发生一定程度的弯曲。通过光电检测系统 对微悬臂的偏转进行扫描，测得其对应于扫描各点的位置变坏，将信号放大即得 到原子之间力的微弱变化的信号，从而获得样品表面的微观结构。控制系统将信 号反馈给扫描平台，并传送给计算机进行存储与处理。在本文中，我们使用的是 s p l 4 0 0 扫描探针显微镜系统。 1 0 第一章绪论 翻骏罗色，琶嗣隧 1 5 3 拉曼测试 图1 4a f m 工作原理示意图 川族氮化物晶体的六角结构的空间群是，立方结构的空间群是巧。对于 g a n 的六角结构，它的原胞包含g a n 原子对。g a 原子的四周包含着四个n 原子，反之亦然。根据固体振动理论，六角纤锌矿结构的外延g a n 层有9 支光 学声子模式和3 支声学声子模式。光学模的原子取代方式如图1 5 。 图1 5 纤锌矿结构的光学声子模 3 6 由群论分析可知，在r 点( k - - 0 ) ，光学声子为下列不可约表示：r o p l - 一、z 缓叫 a 譬 ， 簿塑哕可 o ，氇。r ；o h 一 吼l 吵；9 t-i：(vi i，；6l， 的 卫 第一章绪论 a 1 + e 1 + 2 b i + 2 e 2 。其中，a 1 和e 1 模式是拉曼和红外激活的，b 1 模式是拉曼和红 外均不激活的，e 2 模式仅为拉曼激活的。其中，a 1 和e 1 模式的极性分别平行于 和垂直于c 轴。a 1 模的拉曼张量只有对角成分，e 1 模只有非对角成分，e 2 模的 张量为对角和非对角成分。也就是说，入射光和散射光有相同的极性才能观察到 a 1 模。表1 2 概括了六角结构的拉曼激活模的散射几何。在入射光平行于c 轴 的背散射下，根据拉曼散射的选择定则，只允许a 1 ( l o ) 模和e 2 模出现。 表卜2 纤锌矿结构的氮化物的拉曼几何的允许模式跚 x ( y ，y ) j i f f z ，z ) i 工红y 龋 x f y ： y x y ，蝴乏 z ( y ，x l z z t y ，贬 a t ( t o ) ，e 2 a l t o ) e l ( t o ) e l ( 7 0 ) ，e l ( i 。( ) ) e 2 e 2 a j f l o ) e 2 在g a n 拉曼激活的模式中，a 1 ( l o ) 和e 的频率与应力有关，可以通过该 谱线来研究g a n 的应力。 1 5 4p l 测试 光致发光谱( p h o t o l u m i n e s c e n c e ，p l ) 即为光激发产生的半导体辐射复合 发光光谱，其基本原理为：用能量大于半导体禁带宽度的光( 通常使用激光) 照 射样品，样品吸收光而产生电子空穴对等非平衡载流子；非平衡载流子在半导 体样品内部扩散，部分产生辐射复合；辐射复合发光光子在样品体内传播，部分 从样品中出射出来。光致发光光谱是测量材料发光特性的基本手段。 1 6 本论文工作的内容和创新 1 2 第一章绪论 本论文主要工作如下： ( 1 ) 利用激光剥离技术实现l p - m o c v d 系统生长2 英寸g a nl e d 外延膜的大面 积完整剥离，并利用x 射线衍射、扫描电镜、光致发光谱、原子力显微镜等分析 手段，研究了剥离前后g a n 外延膜的性质。之后在剥离掉的蓝宝石( q - h l ：0 3 ) 衬 底上外延生长i n g a n g a nm q wl e d 结构，通过光致发光谱和x 射线衍射对比相同 条件下不同衬底上生长的g a nl e d 外延膜的晶体质量。 ( 2 ) 理论分析了环境压强对g a n 分解温度的影响。 ( 3 ) 利用金属过渡层实现g a n 与s i 的键合，结合激光剥离技术将g a n 外延薄 膜转移到s i 衬底上。研究在不同的激光器功率密度对g a n 激光剥离的影响。研 究衬底加热对激光剥离的影响。 本论文的创新如下： ( 1 ) 实现2 英寸g a nl e d 外延膜的大面积完整剥离。并在剥离掉的蓝宝石衬底 上重新生长g a nl e d 器件外延膜。实现了蓝宝石衬底的重复利用。 ( 2 ) 通过分析压强和g a n 分解温度的关系提出一种通过降低气压快速低功率 激光剥离g a n 基外延膜的方法。 ( 3 ) 通过加热衬底温度，减小激光剥离的阈值功率密度，放大光斑，实现快速 激光剥离。 1 3 第一章绪论 参考文献 【1 】m o r k o c ，s s t r i t e ，gb g a o ，m e l i n ，a n dm b u m s ，l a r g e - b a n d - g a ps i c ，i i i vn i t r i d e ，a n di i v i z n s e - b a s e ds e m i c o n d u c t o rd e v i c et e c h n o l o g i e s 叨j a p p l p h y s ，19 9 4 ，7 “3 ) ：13 6 3 13 9 8 【2 】a k a m u r a ，a n dgf a s o l ，t h eb l u el a s e rd i o d e ( s p r i n g e r - v e r l a g ，h e i d e l b e r g ，e d 1 ，19 9 7 【3 】s l r m e i , e v i n s h t e i n ，a n dm s s h u r 编，杨树人，殷景志译先进半导体材料性能与数据手册北京： 化学工业出版社，2 0 0 3 【4 】4k e l l yml ( v a u d orp p h a n s evm ，e t a l g a n ：p r o c e s s i n g ，d e f e c t s ，a n dd e v i c e s ja p p ip h y s ，1 9 9 9 ，3 8 ： 2 1 7 2 2 0 【5 】5p o p o v i c i gm o r k o c h g a na n dr e l a t e dm a t e r i a l si i 【m 1 g o r d o n & b r e a c hs c i e n c ep u b l i s h e r s ， a m s t e r d a m , 2 0 0 0 【6 】 s h e nt uw e i j i n ，h uf e i ，h a ny a n - j u n ，e ta 1 s t u d yo nl i g h te x t r a c t i o ne f f i c i e n c yo fg a nb a s e dl i g h t e m i t t i n gd i o d ec h i ps 【j 】j o u r n a lo fo p t o e l e c t r o n i c s l a 嘶( 光电子馓光) ，2 0 0 4 ，1 6 ( 4 ) ：3 8 5 2 3 8 9 ( i n c h i n es e ) 【7 】p i n gat c h e nq ，y a n gjw ，e ta 1 d ca n d