低壓下激光剝離的研究

林飛等

摘 要： 為了研究低壓環(huán)境對激光剝離的影響，利用準分子激光剝離系統(tǒng)和真空腔對GaN/藍寶石樣品分別在低壓下和常壓下進行多脈沖激光照射，之后用臺階儀測量樣品的分解深度，得知相比常壓環(huán)境，低壓下GaN分解深度在脈沖次數(shù)為10次、20次、30次時分別增加了為10.2%，19.0%，24.3%，之后結(jié)合GaN材料分解過程和脈沖激光照射GaN/藍寶石結(jié)構(gòu)過程進行理論分析得到相應低壓和常壓下的GaN材料的理論分解深度，得到與實驗一致的趨勢。證明了低壓環(huán)境能提高激光剝離速率。

關鍵詞： GaN； 激光剝離； 多脈沖激光照射； 激光剝離速率

中圖分類號： TN24?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）12?0156?04

Abstract： In order to study the effects of low?pressure environment on laser lift?off process， the experiment that a GaN/sapphire sample was irradiated by an excimer laser lift?off system in different pressure was carried out， and then the decomposition depth of the sample was measured with a profilometer. The results show that the decomposition depth of GaN in low pressure is increased by 10.2%， 19.0% and 24.3% which corresponds to the number of pulses of 10， 20 and 30. One?dimensional heat flow model of GaN/sapphire structure irradiated by laser was established. The temperature field in GaN was calculated and analyzed. The decomposition depth of GaN in different pressure was obtained. The theoretical calculation result is consistent with the experimental result. It indicates that the efficiency of laser lift?off in low pressure environment is higher than that in ordinary pressureenvironment.

Keywords： GaN； laser lift?off； multipulse lasar irradiation； laser lift?off rate

0 引 言

由于GaN材料禁帶寬度寬，性質(zhì)穩(wěn)定，被廣泛應用于藍光、綠光以及紫外光LED器件的生產(chǎn)中[1?2]，其在眾多領域都扮演著重要的角色，所以一直以來都吸引著極大的關注。目前主要是通過在藍寶石襯底上的異質(zhì)外延得到GaN基LED，但由于藍寶石與GaN晶格的失配大，使得器件外延層中會存在大量位錯和層錯，器件效率受到限制，并且藍寶石的電導率和熱導率差，影響器件散熱，且同側(cè)電極會導致電流阻塞效應等問題。這些導致了GaN基LED的壽命短、輸出功率低。1996年Kelly等人提出了應用激光剝離技術將GaN外延層和藍寶石襯底剝離。激光剝離技術是指用一定波長的激光從藍寶石襯底一側(cè)照射外延片，這束激光只會被藍寶石襯底與GaN界面處的GaN材料所吸收，GaN受熱分解生成金屬Ga和氣體N2，從而實現(xiàn)與藍寶石襯底的剝離。激光剝離技術結(jié)合鍵合技術，可以將GaN外延層轉(zhuǎn)移到導電、導熱性能更好的其他襯底（如Si、金屬）上。首先可以實現(xiàn)在外延層的兩側(cè)制備P、N電極，從而可以減小電極與焊盤對光的遮擋、吸收；其次，兩側(cè)電極結(jié)構(gòu)，使得電流幾乎全部垂直地流過LED外延層，從而避免了電流阻塞效應；最后，Si或金屬襯底的熱導率相比藍寶石明顯更優(yōu)，可以有效地改善LED的散熱情況，提高其使用壽命。激光剝離技術從根本上解決了藍寶石襯底帶給GaN基LED的不利影響，因為在大功率藍光LED芯片制作工藝中，是應用前景十分廣闊的一種技術。但是激光剝離GaN外延層和藍寶石襯底過程中存在著以下的問題：

（1） 剝離過程會產(chǎn)生N2氣體，若N2氣體無法順利排出，界面處將產(chǎn)生較強氣壓，引起GaN膜碎裂。

（2） 過高能量密度的激光束也會對GaN膜造成損傷，引起在剝離過程中GaN膜產(chǎn)生裂紋。

（3） 激光光束照射的位置、環(huán)境的壓強、襯底的溫度、GaN膜厚度對激光剝離過程都有著一定影響。因此本文研究了在低壓環(huán)境下進行激光剝離的方法，一方面降低激光剝離時GaN發(fā)生分解反應的環(huán)境氣壓，則GaN分解所需要的溫度也隨之降低，所要求的激光照射系統(tǒng)進行激光剝離的閾值能量密度也降低，這樣就可以放大激光光斑的面積，大大加快激光剝離的速度，實現(xiàn)快速大面積均勻的激光剝離；另一方面低壓環(huán)境可以實現(xiàn)及時地對N2氣體的抽取，從而避免GaN膜的破裂。

1 實 驗

本實驗采用金屬有機化學氣相沉積法在藍寶石（001）襯底上生長GaN外延層。樣品結(jié)構(gòu)如圖1所示。樣品包括430 μm厚的藍寶石襯底，2 μm厚的本征GaN緩沖層，2 μm厚的n?GaN。采用脈沖寬度為25 ns，波長為248 nm的KrF準分子激光器在室溫下分別在低壓環(huán)境下和常壓環(huán)境下從GaN一側(cè)對同一樣品進行脈沖激光照射10次、20次、30次，激光脈沖頻率為1 Hz，能量密度為370 mJ/cm2。之后用鹽酸去除熱分解過程中產(chǎn)生的金屬Ga及其氧化物，然后利用臺階儀測量GaN分解深度。

對此過程建立模型進行理論計算分析能夠幫助更好得理解低壓環(huán)境對激光剝離的影響。在GaN熱分解的化學反應式中，吉布斯自由能變化量如下：

圖3為理論計算下t=τ時GaN材料內(nèi)溫度隨深度分布圖。由圖可以看出，GaN材料內(nèi)溫度隨著z的增加而迅速降低。圖4是理論計算下GaN材料內(nèi)溫度場分布圖，可以看出在脈沖激光作用下，相同z值的GaN層內(nèi)的溫度先是快速上升，由于熱傳導作用，這段過程一般長于激光作用時間，而后溫度再快速下降。若這期間GaN層的最高溫度大于等于GaN的分解溫度，則該處的GaN即會分解。GaN材料能發(fā)生分解的最大的z值即為GaN材料在該條件下理論分解深度。同時由圖4也可以得知，GaN材料內(nèi)的溫度在下降階段，剛開始速率很快，而后隨著時間的增加而漸漸趨于穩(wěn)定，在t=0.01 s時GaN材料界面處溫度即降為25.764 1 ℃。故激光脈沖頻率為1 Hz時，可不必考慮連續(xù)激光脈沖作用疊加效應。

表2為GaN材料分別在低壓環(huán)境和常壓環(huán)境中理論分解深度，可以得知低壓下GaN分解深度明顯大于常壓下，這與實驗的現(xiàn)象是相吻合的。但是理論計算下低壓的GaN分解深度要遠遠大于實驗中GaN在低壓下的分解深度，一方面是因為設備老化和真空腔氣密性問題，實驗中真空腔的真空度并未能達到6×10-2 Torr；另一方面是因為理論計算未考慮與外界的熱交換，而在實驗中，因為低壓下N2被抽走的同時也帶走了大量的熱，GaN材料內(nèi)的溫度不會那么高。

3 結(jié) 語

低壓環(huán)境一方面能降低GaN材料的分解溫度，降低激光剝離的閾值功率，從而可以通過放大光斑面積來得到與常壓下一樣的剝離效果，即可實現(xiàn)快速地將GaN薄膜從藍寶石襯底上剝離下來；另一方面低壓環(huán)境有助于及時地抽取GaN材料分解時產(chǎn)生的N2氣體，這對實現(xiàn)完整地將GaN薄膜從藍寶石襯底上剝離下來是至關重要的。

表2 常壓和低壓下GaN材料理論分解深度

本文先利用KrF準分子激光器，分別在低壓和常壓環(huán)境下對同一樣品進行多脈沖照射，激光能量密度為370 mJ/cm2，脈沖頻率為1 Hz，之后利用臺階儀測量樣品在不同條件下的分解深度，得知相比常壓環(huán)境，GaN材料在低壓環(huán)境下分解更深，低壓下GaN分解深度在脈沖次數(shù)為10次、20次、30次時分別增加了為10.2%，19.0%，24.3%，之后通過對GaN材料分解過程和激光照射GaN/藍寶石結(jié)構(gòu)過程進行理論分析，得出不同環(huán)境氣壓下的GaN材料理論分解深度，在理論上得到了同樣的趨勢，證明了低壓下激光剝離的優(yōu)越性。

參考文獻

[1] KOIKE Masayoshi， SHIBATA Naoki， KATO Hisaki， et al. Development of high efficiency GaN?Based multiquantum?well light?emitting diodes and their applications [J]. IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics， 2002， 8（2）： 271?277.

[2] NAKAMURA S， SENOH M， NAGAHAMA S， et al. Violet InGaN/GaN/AlGaN based laser diodes with an output power of 420 mW [J]. Jpn. Journal of Applied Physics， 1998， 37（6A）： 1627?1629.

[3] EGAWA T， OHMURA H， ISHIKAWA H， et al. Demonstration of an In?GaN?based light?emitting diode on an AlN/Sapphire template by metalorganic chemical vapor deposition [J]. Applied Physics Letters， 2002， 81（2）： 292?294.

[4] SHEN X Q， MATSUHATA H， OKUMURA H. Reduction of the treading dislocation density in GaN films grown on vicinal sapphire （0001） substrates [J]. Applied Physics Letters， 2005， 86（2）： 021912?021913.

[5] LEE Chia?Ming， CHUO Chang?Ceng， CHEN I?Ling， et al. High?brightness inverted InGaN?GaNmulti?quantum?welllight?emitting diode swithouta transparent conductive layer [J]. IEEE Electron Device Letters， 2003， 24（3）： 156?158.

[6] KELLY M K， AMBACHER O， DAHLHEIMER B， et al. Optical patterning of GaN films [J]. Applied physics letters， 1996， 69（12）： 1749?1751.

[7] 王如.HVPE法制備GaN體材料的研究[D].天津：河北工業(yè)大學，2010.

[8] AGRANAT M B， BENDITSKII A A， GANDELMAN G M. Stepanov.Sov.Phys. JETP 52 （1980） 27.

[9] MARUSKA H P， TIETJEN J J. The preparation and properties of vapor deposited single?crystal?line GaN [J]. Applied Physics Letters， 1969， 15（10）： 327?329.

[10] 王婷，郭霞，劉斌，等.激光剝離Al2O3/GaN中GaN材料溫度場的模擬[J].光電工程，2006（3）：101?105.

[11] 黃生榮，劉寶林.激光剝離GaN/Al2O3材料溫度分布的解析分析[J].光電子·激光，2004，15（7）：831?834.

[12] 張鶴.準分子激光剝離紫外發(fā)光二極管的研究[D].長春：長春理工大學，2012.

對此過程建立模型進行理論計算分析能夠幫助更好得理解低壓環(huán)境對激光剝離的影響。在GaN熱分解的化學反應式中，吉布斯自由能變化量如下：

圖3為理論計算下t=τ時GaN材料內(nèi)溫度隨深度分布圖。由圖可以看出，GaN材料內(nèi)溫度隨著z的增加而迅速降低。圖4是理論計算下GaN材料內(nèi)溫度場分布圖，可以看出在脈沖激光作用下，相同z值的GaN層內(nèi)的溫度先是快速上升，由于熱傳導作用，這段過程一般長于激光作用時間，而后溫度再快速下降。若這期間GaN層的最高溫度大于等于GaN的分解溫度，則該處的GaN即會分解。GaN材料能發(fā)生分解的最大的z值即為GaN材料在該條件下理論分解深度。同時由圖4也可以得知，GaN材料內(nèi)的溫度在下降階段，剛開始速率很快，而后隨著時間的增加而漸漸趨于穩(wěn)定，在t=0.01 s時GaN材料界面處溫度即降為25.764 1 ℃。故激光脈沖頻率為1 Hz時，可不必考慮連續(xù)激光脈沖作用疊加效應。

表2為GaN材料分別在低壓環(huán)境和常壓環(huán)境中理論分解深度，可以得知低壓下GaN分解深度明顯大于常壓下，這與實驗的現(xiàn)象是相吻合的。但是理論計算下低壓的GaN分解深度要遠遠大于實驗中GaN在低壓下的分解深度，一方面是因為設備老化和真空腔氣密性問題，實驗中真空腔的真空度并未能達到6×10-2 Torr；另一方面是因為理論計算未考慮與外界的熱交換，而在實驗中，因為低壓下N2被抽走的同時也帶走了大量的熱，GaN材料內(nèi)的溫度不會那么高。

3 結(jié) 語

低壓環(huán)境一方面能降低GaN材料的分解溫度，降低激光剝離的閾值功率，從而可以通過放大光斑面積來得到與常壓下一樣的剝離效果，即可實現(xiàn)快速地將GaN薄膜從藍寶石襯底上剝離下來；另一方面低壓環(huán)境有助于及時地抽取GaN材料分解時產(chǎn)生的N2氣體，這對實現(xiàn)完整地將GaN薄膜從藍寶石襯底上剝離下來是至關重要的。

表2 常壓和低壓下GaN材料理論分解深度

本文先利用KrF準分子激光器，分別在低壓和常壓環(huán)境下對同一樣品進行多脈沖照射，激光能量密度為370 mJ/cm2，脈沖頻率為1 Hz，之后利用臺階儀測量樣品在不同條件下的分解深度，得知相比常壓環(huán)境，GaN材料在低壓環(huán)境下分解更深，低壓下GaN分解深度在脈沖次數(shù)為10次、20次、30次時分別增加了為10.2%，19.0%，24.3%，之后通過對GaN材料分解過程和激光照射GaN/藍寶石結(jié)構(gòu)過程進行理論分析，得出不同環(huán)境氣壓下的GaN材料理論分解深度，在理論上得到了同樣的趨勢，證明了低壓下激光剝離的優(yōu)越性。

參考文獻

[1] KOIKE Masayoshi， SHIBATA Naoki， KATO Hisaki， et al. Development of high efficiency GaN?Based multiquantum?well light?emitting diodes and their applications [J]. IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics， 2002， 8（2）： 271?277.

[2] NAKAMURA S， SENOH M， NAGAHAMA S， et al. Violet InGaN/GaN/AlGaN based laser diodes with an output power of 420 mW [J]. Jpn. Journal of Applied Physics， 1998， 37（6A）： 1627?1629.

[3] EGAWA T， OHMURA H， ISHIKAWA H， et al. Demonstration of an In?GaN?based light?emitting diode on an AlN/Sapphire template by metalorganic chemical vapor deposition [J]. Applied Physics Letters， 2002， 81（2）： 292?294.

[4] SHEN X Q， MATSUHATA H， OKUMURA H. Reduction of the treading dislocation density in GaN films grown on vicinal sapphire （0001） substrates [J]. Applied Physics Letters， 2005， 86（2）： 021912?021913.

[5] LEE Chia?Ming， CHUO Chang?Ceng， CHEN I?Ling， et al. High?brightness inverted InGaN?GaNmulti?quantum?welllight?emitting diode swithouta transparent conductive layer [J]. IEEE Electron Device Letters， 2003， 24（3）： 156?158.

[6] KELLY M K， AMBACHER O， DAHLHEIMER B， et al. Optical patterning of GaN films [J]. Applied physics letters， 1996， 69（12）： 1749?1751.

[7] 王如.HVPE法制備GaN體材料的研究[D].天津：河北工業(yè)大學，2010.

[8] AGRANAT M B， BENDITSKII A A， GANDELMAN G M. Stepanov.Sov.Phys. JETP 52 （1980） 27.

[9] MARUSKA H P， TIETJEN J J. The preparation and properties of vapor deposited single?crystal?line GaN [J]. Applied Physics Letters， 1969， 15（10）： 327?329.

[10] 王婷，郭霞，劉斌，等.激光剝離Al2O3/GaN中GaN材料溫度場的模擬[J].光電工程，2006（3）：101?105.

[11] 黃生榮，劉寶林.激光剝離GaN/Al2O3材料溫度分布的解析分析[J].光電子·激光，2004，15（7）：831?834.

[12] 張鶴.準分子激光剝離紫外發(fā)光二極管的研究[D].長春：長春理工大學，2012.

對此過程建立模型進行理論計算分析能夠幫助更好得理解低壓環(huán)境對激光剝離的影響。在GaN熱分解的化學反應式中，吉布斯自由能變化量如下：

圖3為理論計算下t=τ時GaN材料內(nèi)溫度隨深度分布圖。由圖可以看出，GaN材料內(nèi)溫度隨著z的增加而迅速降低。圖4是理論計算下GaN材料內(nèi)溫度場分布圖，可以看出在脈沖激光作用下，相同z值的GaN層內(nèi)的溫度先是快速上升，由于熱傳導作用，這段過程一般長于激光作用時間，而后溫度再快速下降。若這期間GaN層的最高溫度大于等于GaN的分解溫度，則該處的GaN即會分解。GaN材料能發(fā)生分解的最大的z值即為GaN材料在該條件下理論分解深度。同時由圖4也可以得知，GaN材料內(nèi)的溫度在下降階段，剛開始速率很快，而后隨著時間的增加而漸漸趨于穩(wěn)定，在t=0.01 s時GaN材料界面處溫度即降為25.764 1 ℃。故激光脈沖頻率為1 Hz時，可不必考慮連續(xù)激光脈沖作用疊加效應。

表2為GaN材料分別在低壓環(huán)境和常壓環(huán)境中理論分解深度，可以得知低壓下GaN分解深度明顯大于常壓下，這與實驗的現(xiàn)象是相吻合的。但是理論計算下低壓的GaN分解深度要遠遠大于實驗中GaN在低壓下的分解深度，一方面是因為設備老化和真空腔氣密性問題，實驗中真空腔的真空度并未能達到6×10-2 Torr；另一方面是因為理論計算未考慮與外界的熱交換，而在實驗中，因為低壓下N2被抽走的同時也帶走了大量的熱，GaN材料內(nèi)的溫度不會那么高。

3 結(jié) 語

低壓環(huán)境一方面能降低GaN材料的分解溫度，降低激光剝離的閾值功率，從而可以通過放大光斑面積來得到與常壓下一樣的剝離效果，即可實現(xiàn)快速地將GaN薄膜從藍寶石襯底上剝離下來；另一方面低壓環(huán)境有助于及時地抽取GaN材料分解時產(chǎn)生的N2氣體，這對實現(xiàn)完整地將GaN薄膜從藍寶石襯底上剝離下來是至關重要的。

表2 常壓和低壓下GaN材料理論分解深度

本文先利用KrF準分子激光器，分別在低壓和常壓環(huán)境下對同一樣品進行多脈沖照射，激光能量密度為370 mJ/cm2，脈沖頻率為1 Hz，之后利用臺階儀測量樣品在不同條件下的分解深度，得知相比常壓環(huán)境，GaN材料在低壓環(huán)境下分解更深，低壓下GaN分解深度在脈沖次數(shù)為10次、20次、30次時分別增加了為10.2%，19.0%，24.3%，之后通過對GaN材料分解過程和激光照射GaN/藍寶石結(jié)構(gòu)過程進行理論分析，得出不同環(huán)境氣壓下的GaN材料理論分解深度，在理論上得到了同樣的趨勢，證明了低壓下激光剝離的優(yōu)越性。

參考文獻

[1] KOIKE Masayoshi， SHIBATA Naoki， KATO Hisaki， et al. Development of high efficiency GaN?Based multiquantum?well light?emitting diodes and their applications [J]. IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics， 2002， 8（2）： 271?277.

[2] NAKAMURA S， SENOH M， NAGAHAMA S， et al. Violet InGaN/GaN/AlGaN based laser diodes with an output power of 420 mW [J]. Jpn. Journal of Applied Physics， 1998， 37（6A）： 1627?1629.

[3] EGAWA T， OHMURA H， ISHIKAWA H， et al. Demonstration of an In?GaN?based light?emitting diode on an AlN/Sapphire template by metalorganic chemical vapor deposition [J]. Applied Physics Letters， 2002， 81（2）： 292?294.

[4] SHEN X Q， MATSUHATA H， OKUMURA H. Reduction of the treading dislocation density in GaN films grown on vicinal sapphire （0001） substrates [J]. Applied Physics Letters， 2005， 86（2）： 021912?021913.

[5] LEE Chia?Ming， CHUO Chang?Ceng， CHEN I?Ling， et al. High?brightness inverted InGaN?GaNmulti?quantum?welllight?emitting diode swithouta transparent conductive layer [J]. IEEE Electron Device Letters， 2003， 24（3）： 156?158.

[6] KELLY M K， AMBACHER O， DAHLHEIMER B， et al. Optical patterning of GaN films [J]. Applied physics letters， 1996， 69（12）： 1749?1751.

[7] 王如.HVPE法制備GaN體材料的研究[D].天津：河北工業(yè)大學，2010.

[8] AGRANAT M B， BENDITSKII A A， GANDELMAN G M. Stepanov.Sov.Phys. JETP 52 （1980） 27.

[9] MARUSKA H P， TIETJEN J J. The preparation and properties of vapor deposited single?crystal?line GaN [J]. Applied Physics Letters， 1969， 15（10）： 327?329.

[10] 王婷，郭霞，劉斌，等.激光剝離Al2O3/GaN中GaN材料溫度場的模擬[J].光電工程，2006（3）：101?105.

[11] 黃生榮，劉寶林.激光剝離GaN/Al2O3材料溫度分布的解析分析[J].光電子·激光，2004，15（7）：831?834.

[12] 張鶴.準分子激光剝離紫外發(fā)光二極管的研究[D].長春：長春理工大學，2012.