激光剥离技术制备氮化镓发光二极管

### 激光剥离技术制备氮化镓发光二极管 #### 1. 氮化镓激光剥离工艺的前期研究 在进行氮化镓激光剥离（LLO）工艺前，需要对一些基础条件进行研究。研究发现，在大气压力条件下处理的样品，其表面形貌的均方根粗糙度约为 4 - 14 nm；而在低压条件下处理的样品，该值约为 30 - 36 nm。这表明大气压力条件下氮化镓材料的分解具有相对较好的表面形貌，因此氮化镓 LLO 工艺选择在大气环境中进行。 ##### 1.1 激光相互作用的热模型 对于受辐照的氮化镓薄膜温度升高的测定，采用了一维热流方程： \[I(z,t)=(1 - R)I_0(t)e^{-\alpha z}\] 其中 \(I(z,t)\) 是在深度 \(z\) 和时间 \(t\) 处入射激光的功率密度。变量 \(T\)、\(\rho\)、\(C_p\)、\(k\) 和 \(\alpha\) 分别是氮化镓的温度、密度、比热容、热导率和光吸收系数。假设薄膜是均匀吸收介质，入射功率密度可写为： \[\Delta T(z,t)=\sum_{n = -\infty}^{\infty}\frac{(1 - R)I_0(t)}{K}\left[ierfc\left(\frac{z - nL}{2\sqrt{Kt}}\right)\right]\] 为方便表示，引入扩散长度 \(\xi = \sqrt{2Kt}\)。对于均匀表面入射功率密度源，有： \[\Delta T(t)=\frac{(1 - R)I_0(t)\xi}{\sqrt{\pi}K}\] 对于来自 KrF 激光器的单个 38 ns 脉冲，要将氮化镓薄膜表面加热到 900°C 的分解温度，大约需要 400 mJ/cm² 的激光能量密度。计算中使用的 \(\rho\)、\(C_p\)、\(k\)、\(R\) 和 \(\alpha\) 值分别为 6.11 g/cm³、9.745 cal/mol - K、1.3 W/cm - K、0.3 和 4.4 × 10⁵ cm⁻¹。模拟结果显示，温度升高以及氮化镓薄膜厚度上的大温度梯度发生在受辐照的氮化镓/蓝宝石界面下方 100 nm 以内的高度局部加热区域，这种选择性局部加热使得能够形成薄的界面层，从而实现氮化镓薄膜与蓝宝石衬底的分离。 对于半无限固体（\(L = \infty\)），受辐照表面的温度为： \[\frac{\partial T}{\partial t}=\frac{1}{\rho C_p}\left(\alpha I(z,t)+\kappa\frac{\partial^2 T}{\partial z^2}\right)\] 使用氮化镓材料的相关参数（\(\rho = 6.11\) g/cm³，\(C_p = 9.75\) cal/mol - K，\(k = 1.3\) W/cm - K，\(R = 0.3\)，\(t = 25\) ns），计算得出氮化镓分解所需的吸收激光能量密度约为 0.3 J/cm²，这与实验值相符。 ##### 1.2 LLO 工艺 LLO 工艺首先使用生长在蓝宝石衬底上的未掺杂氮化镓样品进行。具体步骤如下： 1. **衬底处理**：将蓝宝石背面用 3 µm 到 1 µm 不同尺寸的金刚石研磨膏抛光，然后切割成 1 cm × 1 cm 的样品。 2. **样品粘结**：使用氰基丙烯酸酯（\(C_6H_7NO_2\)）基酯粘合剂将样品粘结到硅片上，形成蓝宝石/未掺杂氮化镓/环氧树脂/硅结构。 3. **激光辐照**：将脉冲 KrF 准分子激光（光斑尺寸为 1.2 mm × 1.2 mm）通过抛光的透明蓝宝石衬底背面照射。由于 KrF 准分子激光通过 0.5 mm 厚蓝宝石衬底的衰减约为 20 - 30%，蓝宝石/氮化镓界面在 248 nm 处的反射约为 20%，因此入射激光能量密度设定为 0.6 J/cm²，对应界面处的激光能量密度约为 0.3 J/cm²。当入射能量密度为 0.6 J/cm² 时，在氮化镓和蓝宝石界面出现 1.2 mm × 1.2 mm 的金属银色区域，并从样品边缘喷出一些类似灰尘的颗粒，表明氮化镓和蓝宝石之间的镓界面层发生分解。 4. **分离与转移**：将受辐照样品加热到镓的熔点 30°C，氮化镓薄膜很容易从蓝宝石衬底分离并转移到硅支撑载体上，同时去除金属镓残留物，完成 LLO 工艺。 对 LLO 氮化镓样品进行了 SEM、AFM、X 射线摇摆曲线（XRC）和 PL 光谱测量。结果显示，LLO 氮化镓薄膜的厚度约为 14.9 µm，厚度减小相对较小。AFM 图像显示薄膜表面形成了不均匀和类似须状的微柱结构，表面粗糙度的均方根值约为 12 nm，比 LLO 前的 0.3 nm 大，这是由于氮化镓和蓝宝石界面的热分解导致的。XRC 光谱显示，LLO 薄膜的半高宽值约为 528 弧秒，比传统氮化镓薄膜的 412 弧秒略大，可