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用于自支撑GaN的激光辅助分离技术

2024/2/4 9:26:33      材料来源:雅时化合物半导体

日本大阪大学公布了一项用于自支撑氮化镓的激光辅助分离(LAS)技术,其中自支撑氮化镓通过钠流法从蓝宝石上的籽晶层生长。[Kazuma Hamada et al, Jpn. J. Appl. Phys., v62, p125503, 2023]

GaN材料的带隙宽、击穿场强高、热导率高,因此要实现更广泛的GaN光学性能和功率性能,制造自支撑及块状GaN至关重要。

激光辅助分离技术包括生长GaN主晶体之前,通过激光辐照蓝宝石衬底来分解部分GaN籽晶。蓝宝石对深紫外光具有透光性,GaN则对深紫外光具有高吸收性。

研究团队评论道:“这项技术减少了蓝宝石和GaN之间的接触面积,因此生长之后,蓝宝石和GaN会在冷却过程中自发分离。我们找到了适合用于分离的激光辅助分离加工模式,并成功获得无裂纹的自支撑GaN晶体。”

研究人员进一步将激光辅助分离技术应用于多点籽晶(MPS)晶体生长,使GaN晶体比通常不采用激光辅助分离技术制备的多点籽晶GaN晶体更厚。

GaN/蓝宝石籽晶衬底采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术生长。采用激光辅助分离技术分解GaN,对GaN和蓝宝石之间的界面进行图案化(图1):未采用激光辅助分离技术的参照、简单图案化、较复杂图案化共同组成三个测试样品。

 

 

图1:籽晶示意图。(a)图案A:通过MOCVD生长的c面GaN/蓝宝石,未采用激光辅助分离技术;(b)图案B:整个表面都采用激光辅助分离技术;(c)图案C:部分采用激光辅助分离技术;(d)图案C的细节。

长晶过程中,需将样品置于直径19mm的氧化铝坩埚。再将坩埚放入装有Ga、Na、碳且充满氩气的手套箱中。对手套箱抽真空后,以1MPa的压力通入氮气。再将温度升至870°C,氮气压力升至4MPa。生长过程持续24小时,最终形成约500μm厚的GaN层。

未图案化的籽晶(样品A)导致GaN和蓝宝石材料均开裂。采用激光辅助分离技术进行简单图案化的样品B中,GaN未开裂,但蓝宝石衬底开裂了。部分采用激光辅助分离技术进行较复杂图案化的样品C中,蓝宝石和GaN均未开裂。此外,只有样品C产出了分离的自支撑GaN。

衍射峰移X射线分析用于评估样品的曲率半径(见表)。样品C的曲率半径大得多,表明样品C要平坦得多。

表格:图案A、图案B、图案C分别沿a轴和m轴在籽晶上生长的GaN晶体的曲率半径

研究人员评论道:“一般来说,众所周知GaN/蓝宝石衬底会呈凸形弯曲,因为蓝宝石的热膨胀系数大于GaN。生长出的晶体呈凸形,表明它在冷却过程中仍受到蓝宝石的应力作用。特别是,图案B籽晶上生长的晶体与未加工GaN/蓝宝石上生长的晶体具有相同的曲率,而且都出现了裂纹,表明图案B不会促进GaN的分离。此外,我们还观察到,与图案B相比,图案C更容易分离GaN,因为图案C利用其晶格图案,将部分GaN完全分解,而在图案B中,激光辐照不会使GaN立即从整个表面分离。”

曲率受GaN和蓝宝石之间有效接触面积的影响,根据这一理论,研究人员尝试在简单图案样品B上提高所用激光辅助分离技术的激光强度来减少接触面积。不幸的是,长晶之前,籽晶层就与蓝宝石分离了。因此,研究人员倾向于将激光辅助分离工艺用于图案C样品,其中部分GaN完全分解成晶格图案。

阴极发光(电子束激发)用于评估长成GaN的位错密度,前提是所有样品的位错密度都约为106/cm2。相比之下,GaN籽晶层的位错密度更高,为108/cm2,此为MOCVD的典型值。

研究小组将激光辅助分离法与多点籽晶法相结合,其中籽晶层由直径250μm的圆形GaN点状籽晶区组成,呈六边形阵列,间隔为550μm。不采用激光辅助分离法的情况下,当晶体生长到600μm时,多点籽晶法会导致GaN和蓝宝石材料开裂(图2)。使用带有多点籽晶区,且经激光辅助分离法处理的衬底后,开裂现象消失了。

图2:(a)从GaN表面看多点籽晶衬底上长成晶体的光学图像;(b)从蓝宝石表面看多点籽晶衬底上长成晶体的光学图像;(c)从GaN表面看激光辅助分离-多点籽晶衬底上长成的晶体;(d)从蓝宝石表面看激光辅助分离-多点籽晶衬底上长成的晶体。

研究人员评论道:“GaN与蓝宝石之间的接触面积减小到了迄今为止最小的程度,大大降低了蓝宝石的拉伸应力。研究发现,激光辅助分离-多点籽晶衬底与传统多点籽晶衬底上长成晶体的穿透位错密度相当,表明晶体未劣化。”

 

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