專利名稱：GaN基外延層的大面積、低功率激光剝離方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電器件領(lǐng)域，尤其涉及一種GaN基外延層的大面積激光剝離方法。本發(fā)明提出了一種實(shí)現(xiàn)大面積均勻、完整的、低功率激光剝離藍(lán)寶石上生長的GaN基外延層的方法和技術(shù)，可以獲得大面積的無藍(lán)寶石生長襯底的完整的GaN基外延膜，適用于在類藍(lán)寶石等透明襯底上生長的GaN基材料所制備的器件和材料上，尤其是適用于大面積完整均勻的激光剝離較薄氮化物外延層中。
背景技術(shù)：
GaN基III-V族氮化物是重要的直接帶隙的寬禁帶半導(dǎo)體材料。由于其特有的帶隙范圍，優(yōu)良的光、電學(xué)性質(zhì)，優(yōu)異的材料機(jī)械和化學(xué)性能，在藍(lán)、綠、紫、紫外光及白光發(fā)光二極管(LED)、短波長激光二極管(LD)、紫外光探測器和功率電子器件等光電子器件和電子器件以及特殊條件下的半導(dǎo)體器件等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景，吸引著人們的濃厚興趣。
GaN基材料極高的熔解溫度和較高的氮?dú)怙柡驼魵鈮?，使得同質(zhì)外延大面積GaN單晶非常困難。一般需采用存在晶格失配和熱失配的異質(zhì)襯底來進(jìn)行外延生長。由于高的熱穩(wěn)定性和相對(duì)便宜的價(jià)格，大多數(shù)的GaN基外延膜主要是生長在藍(lán)寶石襯底上，但是由于藍(lán)寶石硬度較高、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能差，給后續(xù)的器件制備工藝帶來了難度，同時(shí)異質(zhì)襯底也限制了GaN基材料的晶體質(zhì)量。除了大失配襯底異質(zhì)外延生長技術(shù)外，目前也發(fā)展了采用機(jī)械、化學(xué)或激光輻照手段將厚層GaN薄膜從襯底上剝離下來，獲得自支撐的GaN體材料來作為襯底，最后在低缺陷密度的GaN厚層上進(jìn)行器件結(jié)構(gòu)的同質(zhì)外延生長技術(shù)，在改善GaN基外延材料生長質(zhì)量提高器件綜合性能方面具有很大發(fā)展?jié)摿Γ沁@需要事先在藍(lán)寶石襯底上外延厚層GaN和二次器件結(jié)構(gòu)的外延，造成材料生長工序復(fù)雜代價(jià)高。
采用激光剝離方法可以獲得藍(lán)寶石上生長的GaN基外延膜，但是要獲得大面積均勻的外延膜對(duì)激光剝離系統(tǒng)的要求很高，因此快速的大面積均勻的完整剝離技術(shù)和方法將是激光剝離技術(shù)的進(jìn)一步開拓。剝離后的外延膜可廣泛的應(yīng)用于GaN基材料的同質(zhì)生長中，以得道高質(zhì)量GaN基材料和器件。將大面積激光剝離方法(結(jié)合？)和芯片連接技術(shù)相結(jié)合，直接應(yīng)用于GaN基光電子器件制備中，避免了采用Pd/In合金鍵對(duì)鍵合壓力的要求，優(yōu)化了器件結(jié)構(gòu)，對(duì)器件性能有顯著提高，并且具有工藝簡單、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，是未來GaN基光電子器件的重要發(fā)展方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種采用低功率密度的激光器，可以獲得大面積的無藍(lán)寶石生長襯底支撐的完整的GaN基外延膜?？捎糜贕aN基材料的同質(zhì)外延生長中；也可用于大面積均勻的極薄層的具有器件結(jié)構(gòu)的外延膜的生長；不必在進(jìn)行二次外延結(jié)構(gòu)的生長，結(jié)合芯片連接技術(shù)還可直接應(yīng)用于器件的制備中，制備垂直結(jié)構(gòu)的GaN基光電子器件，簡化器件制備工藝，降低器件熱效應(yīng)，提高器件性能。
本發(fā)明提出了一種可以獲得大面積、均勻的、極薄層GaN基外延層的激光剝離的方法，該方法通過采用加入激光閾值輻照和(或)加熱襯底，以降低激光剝離的功率密度，降低GaN和藍(lán)寶石襯底界面處由于激光輻照而產(chǎn)生的應(yīng)力，并獲得相對(duì)較大的激光光斑，同時(shí)更提出螺旋線型聚焦激光光斑的掃描方式。對(duì)于具有器件結(jié)構(gòu)的薄層外延膜剝離時(shí)GaN基外延薄膜通過低熔點(diǎn)的金屬介質(zhì)層連接在支撐襯底上制備垂直結(jié)構(gòu)的GaN基光電子器件。
激光光斑通過透明的藍(lán)寶石襯底輻照在界面處的GaN上時(shí)，要做到激光光斑和光斑之間很好的銜接，避免由于光斑重合造成對(duì)某處重復(fù)輻照而引入較大的損傷致使GaN層破裂，這對(duì)掃描控制系統(tǒng)的精確度要求非常嚴(yán)格，同時(shí)還需要在保證較高激光光功率密度的前提下對(duì)光斑進(jìn)行光束整形，這不但對(duì)激光輸出功率提出了高的要求更增加了激光器光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性，這些都會(huì)造成激光剝離系統(tǒng)龐大，價(jià)格昂貴。
根據(jù)本發(fā)明的一種GaN基外延層的大面積、低功率激光剝離方法，具體技術(shù)方案如下1.激光剝離GaN基外延層時(shí)，通過采用施加閾值偏置方式，給要?jiǎng)冸x的外延片施加偏置，降低對(duì)聚焦光斑能量密度的要求，放寬了其光斑尺寸，就可很大幅度的降低光斑的重復(fù)幾率，提高剝離后GaN基外延層的完整性。
2.采用螺旋線型或弧線型由外向內(nèi)的激光光斑的掃描方式，由內(nèi)向外充分的釋放GaN層分解時(shí)產(chǎn)生氮?dú)?，減少瞬間、局域氮?dú)庠诮缑嫣幃a(chǎn)生的微爆對(duì)樣品的損傷，同時(shí)該掃描方式和樣品的形狀一致更有利于應(yīng)力的均勻釋放。保證剝離后外延層的完整性和均勻性。
3.采用低熔點(diǎn)金屬合金作為介質(zhì)層實(shí)現(xiàn)外延層和支撐襯底的連接，保證GaN外延層和支撐襯底具有好的電和熱接觸，同時(shí)又有相當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度和耐溫能力，以實(shí)現(xiàn)基于支撐襯底上薄外延層光電子器件的制備，其中關(guān)鍵技術(shù)是在GaN上歐姆接觸層上與AuSn接觸的Au層下上加鍍一層Ni以避免AuSn合金與Au的共熔，提高連接質(zhì)量。
根據(jù)本發(fā)明的另一種GaN基外延層的大面積、低功率激光剝離方法具體技術(shù)方案如下1.將藍(lán)寶石襯底的GaN基外延片P面用環(huán)氧型樹脂粘附在玻璃、Si、Cu等支撐襯底上，放置在真空室中抽走膠中氣泡，保證外延片和支撐襯底表明均勻無空洞的緊密接觸。
2.激光剝離GaN基外延層時(shí)，通過采用施加閾值偏置方式，給要?jiǎng)冸x的外延片施加偏置，降低對(duì)聚焦光斑能量密度的要求，放寬了其光斑尺寸，就可很大幅度的降低光斑的重復(fù)幾率，提高剝離后GaN基外延層的完整性。
3.采用螺旋線型或弧線型由外向內(nèi)的激光光斑的掃描方式，由內(nèi)向外充分的釋放GaN層分解時(shí)產(chǎn)生氮?dú)?，減少瞬間、局域氮?dú)庠诮缑嫣幃a(chǎn)生的微爆對(duì)樣品的損傷，同時(shí)該掃描方式和樣品的形狀一致更有利于應(yīng)力的均勻釋放。保證剝離后外延層的完整性和均勻性。
4.有機(jī)溶劑浸泡粘附在支撐襯底上的GaN樣品，待膠溶化后就可以得到無支撐的GaN基外延膜。
上面所述的施加閾值偏置方式方法有以下三種具體方式雙光束同時(shí)輻照、采用電加熱和紅外加熱。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)地說明圖1是激光剝離系統(tǒng)幾雙光束設(shè)置示意圖；圖2是控制系統(tǒng)的光斑掃描方式示意圖；
圖3a～圖3f是金屬連接GaN外延片和支撐襯底示意圖，其中圖3a是在藍(lán)寶石襯底GaN外延片上蒸鍍透明電極Ni/Au；圖3b是在Si襯底蒸鍍歐姆接觸電極Ti/Al/Ti/Au；圖3c是GaN外延片和Si襯底上同時(shí)濺射Ni和AuSn層；圖3d是加壓加熱將GaN外延片和Si襯底連接在一起；圖3e是激光剝離連接有Si襯底的GaN外延片；圖3f是轉(zhuǎn)移至Si襯底上的GaN基外延膜；最佳實(shí)施例詳細(xì)描述下面參照本發(fā)明的附圖，更詳細(xì)的描述出本發(fā)明的最佳實(shí)施例。
本發(fā)明的目的在于提供一種可以獲得大面積的無藍(lán)寶石生長襯底的完整的GaN基外延膜，用于GaN基材料的同質(zhì)外延生長中，尤其是對(duì)于大面積均勻的極薄層的具有器件結(jié)構(gòu)的外延膜，不必在進(jìn)行二次外延結(jié)構(gòu)的生長，結(jié)合芯片連接技術(shù)直接應(yīng)用于器件的制備中。
本發(fā)明提出的可以獲得大面積、均勻的、極薄層GaN基外延層的激光剝離的方法，該方法通過采用加入激光閾值輻照和加熱襯底，以降低GaN和藍(lán)寶石襯底界面處由于激光輻照而產(chǎn)生的應(yīng)力，并獲得相對(duì)較大的激光光斑，同時(shí)更提出螺旋線型聚焦激光光斑的掃描方式。對(duì)于具有器件結(jié)構(gòu)的薄層外延膜剝離時(shí)GaN基外延薄膜通過低熔點(diǎn)的金屬介質(zhì)層連接在支撐襯底上制備垂直結(jié)構(gòu)的GaN基光電子器件。
圖1所示為激光剝離系統(tǒng)雙光束設(shè)置示意，圖2所示為控制系統(tǒng)的光斑掃描方式示意圖，圖3(3a-3f)是制備垂直結(jié)構(gòu)的GaN基器件示意圖。結(jié)合圖1和圖2和圖3詳細(xì)給出以下三個(gè)具有代表性的發(fā)明實(shí)施例。
實(shí)施例一的技術(shù)方案1.將藍(lán)寶石襯底的GaN基外延片P面用環(huán)氧型樹脂粘附在玻璃、Si、Cu等支撐襯底上，放置在真空室中抽走膠中氣泡，保證外延片和支撐襯底表明均勻無空洞的緊密接觸。
2.調(diào)整準(zhǔn)分子激光器光路，如圖1所示采用雙光束同時(shí)輻照，激光脈沖6經(jīng)過分光鏡7分成兩束光，其中光束1是分光鏡7分出的光經(jīng)過聚焦透鏡9得到的聚焦光束，該光束是造成其界面處GaN分解的主要原因。另一束光是偏置光束，它是由分光鏡7分出的光經(jīng)過反射鏡8得到的，偏置光束2光斑較大，能量密度較小，目的是引入偏置激光。使得聚焦光束1和偏置光束2重合的輻照樣品，調(diào)整好步進(jìn)電機(jī)3的步速使其和激光光斑及激光脈沖6頻率一致，通過真空吸盤4將樣品10固定好。
3.激光剝離時(shí)樣品臺(tái)采用螺旋線或弧線的步進(jìn)方式，如圖2。螺旋線的角度為0-360°。
4.激光掃描完樣品10后，先用高于金屬Ga熔點(diǎn)的熱水再用1∶1的HCl浸泡樣品，除去GaN和藍(lán)寶石界面處的金屬Ga，使得藍(lán)寶石襯底脫落，將GaN基外延層轉(zhuǎn)移至支撐襯底上。
5.有機(jī)溶劑浸泡粘附在支撐襯底上的GaN樣品，待膠溶化后就可以得到無支撐的GaN基外延膜。
實(shí)施例二的技術(shù)方案1.將藍(lán)寶石襯底的GaN基外延片P面用環(huán)氧型樹脂粘附在玻璃、Si、Cu等支撐襯底上，放置在真空室中抽走膠中氣泡，保證外延片和支撐襯底表明均勻無空洞的緊密接觸。
2.用加電熱器5，或采用樣品環(huán)境局部紅外加熱方式加熱樣品，溫度范圍0-300℃3.用能量密度足夠的準(zhǔn)分子脈沖激光輻照處于加熱狀態(tài)的樣品，進(jìn)行激光剝離使GaN外延層11和藍(lán)寶石襯底12分離。
4.激光剝離時(shí)樣品臺(tái)采用螺旋線或弧線的步進(jìn)方式，如圖2。螺旋線的角度為0-360°。
5.激光掃描完樣品10后，先用高于金屬Ga熔點(diǎn)的熱水再用1∶1的HCl浸泡樣品，除去GaN和藍(lán)寶石界面處的金屬Ga，使得藍(lán)寶石襯底脫落，將GaN基外延層轉(zhuǎn)移至支撐襯底上。
6.有機(jī)溶劑浸泡粘附在支撐襯底上的GaN樣品，待膠溶化后就可以得到無支撐的GaN基外延膜。
實(shí)施例三的技術(shù)方案1.先直接在藍(lán)寶石襯底12上的GaN基外延層11上大面積制備P型歐姆接觸電極，如蒸鍍Ni/Au透明電極1，然后在氧氣∶氮?dú)猓?∶1下500℃下合金5分鐘。對(duì)于具有LED結(jié)構(gòu)的外延片還需加鍍Ti/Ag/Ti/Au的反射層，如圖3a所示。其中“/”是金屬層之間的分隔符號(hào)，如Ni/Au表示兩層金屬，第一層是金屬Ni，第二層是金屬Au，Ti/Ag/Ti/Au表示多層金屬膜，依次分別是金屬Ti、Ag、Ti、Au。
2.在清洗干凈的n型高摻雜Si襯底3的上、下兩個(gè)表面分別制備Ti/Al/Ti/Au歐姆接觸電極4，如圖3b。
3.在GaN的歐姆接觸電極1和Si襯底3一面的歐姆接觸電極4上濺射金屬Ni阻擋層5，接著鍍AuSn合金(Au80％，Sn％)6厚度100-1000nm，如圖3c。
4.將步驟3中制備好的兩個(gè)樣品在顯微鏡下對(duì)好晶向，加壓力7，壓力大小為1-5個(gè)大氣壓，氮?dú)夥障录訜?0-60分鐘，加熱溫度50-300℃。如圖3d。
5.將連接好的樣品采用波長短于GaN帶隙并對(duì)藍(lán)寶石襯底透明的脈沖激光8進(jìn)行剝離，得到轉(zhuǎn)移至Si襯底3上的GaN基外延膜11。圖(e)、(f)上述三個(gè)實(shí)施例只是本發(fā)明的舉例，但依照本發(fā)明原理，這還可以衍生出其它各種方案，包括將這幾種方案結(jié)合的各種方案。其中只要涉及到方案三尤其適用于獲得極薄外延層的GaN基膜的激光剝離。
本發(fā)明有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)(1)采用雙光束激光輻照和襯底加熱方法給GaN基外延層施加偏至，低了對(duì)激光剝離系統(tǒng)的要求。其中采用的聚焦光束在焦點(diǎn)附近光斑能量密度大，光斑均勻同時(shí)GaN層對(duì)偏至光束的吸收降低了對(duì)聚焦光斑能量密度的要求，放寬了其光斑尺寸，就可很大幅度的降低光斑的重復(fù)幾率，提高剝離后GaN基外延層的完整性。
(2)采用螺旋式激光掃描方式可以獲得大面積的無藍(lán)寶石生長襯底的完整的2英寸GaN基外延膜，該方法由內(nèi)向外充分了釋放GaN層分解時(shí)產(chǎn)生氮?dú)猓瑴p少瞬間、局域氮?dú)庠诮缑嫣幃a(chǎn)生的微爆對(duì)樣品的損傷，同時(shí)該掃描方式和樣品的形狀一致更有利于應(yīng)力的均勻釋放，進(jìn)一步保證了剝離后外延層的完整性和均勻性。
(3)可獲得大面積均勻的極薄層的具有器件結(jié)構(gòu)的外延膜，厚度可到3m；(4)采用AuSn合金作為介質(zhì)層將GaN外延片和Si襯底連接，降低連接是對(duì)壓力的要求，簡化了連接過程。
盡管為說明目的公開了本發(fā)明的最佳實(shí)施例和附圖，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換、變化和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于最佳實(shí)施例和附圖所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種GaN基外延層的大面積、低功率激光剝離方法，具體包括以下步驟(1)激光剝離GaN基外延層時(shí)，通過給要?jiǎng)冸x的外延片施加一個(gè)偏置，降低激光剝離的功率；(2)采用螺旋線型或弧線型由外向內(nèi)的激光光斑的掃描方式；(3)采用低熔點(diǎn)金屬合金作為介質(zhì)層，實(shí)現(xiàn)外延層和支撐襯底的連接；
2.一種GaN基外延層的大面積、低功率激光剝離方法，具體包括以下步驟(1)將藍(lán)寶石襯底的GaN基外延片P面用環(huán)氧型樹脂粘附在承接襯底上，放置在真空室中抽走膠中氣泡；(2)激光剝離GaN基外延層時(shí)，通過給要?jiǎng)冸x的外延片施加一個(gè)偏置，降低激光剝離的功率；(3)采用螺旋線型或弧線型由外向內(nèi)的激光光斑的掃描方式；(4)有機(jī)溶劑浸泡粘附在承載襯底上的GaN樣品，待膠溶化后就可以得到無支撐的GaN基外延膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的GaN基外延層的大面積、低功率激光剝離方法，其特征在于激光剝離GaN基外延層時(shí)，采用雙光束同時(shí)輻照，其中一個(gè)光束是聚焦光束，光斑大小與掃描控制系統(tǒng)的步進(jìn)匹配；另一光束為偏置光束，與聚焦光束相比，偏置光束光斑較大，能量密度較小。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的GaN基外延層的大面積激光剝離方法，其特征在于激光剝離GaN基外延層時(shí)，用加電熱器或采用樣品環(huán)境局部紅外加熱方式加熱襯底至溫度偏置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的GaN基外延層的大面積激光剝離方法，其特征在于支撐襯底材料是玻璃、Si、或者金屬。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基外延層的大面積激光剝離方法，其特征在于采用低熔點(diǎn)AuSn合金作為介質(zhì)層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)大面積激光剝離藍(lán)寶石上生長的GaN基外延層的方法，本發(fā)明提供了一種可以獲得大面積的均勻的無藍(lán)寶石襯底的完整的薄層GaN基外延膜，GaN基外延層是在藍(lán)寶石襯底上用HVPE方法生長的厚膜或用MOCVD方法生長的薄層外延膜，將GaN外延片通過特定的焊接材料和工藝焊接在Si片等其他熱導(dǎo)性和電導(dǎo)性良好的支撐材料上，保證GaN外延層和承載襯底具有好的電和熱接觸，同時(shí)又有相當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度和耐溫能力。利用由外向內(nèi)的掃描方式及熱襯底、加入激光閾值偏置等措施，從藍(lán)寶石一側(cè)使用對(duì)藍(lán)寶石透明而GaN強(qiáng)烈吸收的脈沖激光掃描外延片，實(shí)現(xiàn)GaN外延層和藍(lán)寶石襯底的大面積均勻分離。發(fā)明尤其有利于完整剝離大面積薄層外延膜，通常為2inch的GaN基外延片。
文檔編號(hào)H01L33/00GK1779900SQ200410009840
公開日2006年5月31日 申請(qǐng)日期2004年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月23日
發(fā)明者張國義, 康香寧, 陳志忠, 陳皓明, 秦志新, 于彤軍, 胡曉東, 章蓓, 楊志堅(jiān) 申請(qǐng)人:北京大學(xué)