专利名称：GaN基外延层的大面积、低功率激光剥离方法
技术领域：
本发明涉及光电器件领域，尤其涉及一种GaN基外延层的大面积激光剥离方法。本发明提出了一种实现大面积均匀、完整的、低功率激光剥离蓝宝石上生长的GaN基外延层的方法和技术，可以获得大面积的无蓝宝石生长衬底的完整的GaN基外延膜，适用于在类蓝宝石等透明衬底上生长的GaN基材料所制备的器件和材料上，尤其是适用于大面积完整均匀的激光剥离较薄氮化物外延层中。
背景技术：
GaN基III-V族氮化物是重要的直接带隙的宽禁带半导体材料。由于其特有的带隙范围，优良的光、电学性质，优异的材料机械和化学性能，在蓝、绿、紫、紫外光及白光发光二极管(LED)、短波长激光二极管(LD)、紫外光探测器和功率电子器件等光电子器件和电子器件以及特殊条件下的半导体器件等领域中有广泛的应用前景，吸引着人们的浓厚兴趣。
GaN基材料极高的熔解温度和较高的氮气饱和蒸气压，使得同质外延大面积GaN单晶非常困难。一般需采用存在晶格失配和热失配的异质衬底来进行外延生长。由于高的热稳定性和相对便宜的价格，大多数的GaN基外延膜主要是生长在蓝宝石衬底上，但是由于蓝宝石硬度较高、导电和导热性能差，给后续的器件制备工艺带来了难度，同时异质衬底也限制了GaN基材料的晶体质量。除了大失配衬底异质外延生长技术外，目前也发展了采用机械、化学或激光辐照手段将厚层GaN薄膜从衬底上剥离下来，获得自支撑的GaN体材料来作为衬底，最后在低缺陷密度的GaN厚层上进行器件结构的同质外延生长技术，在改善GaN基外延材料生长质量提高器件综合性能方面具有很大发展潜力，但是这需要事先在蓝宝石衬底上外延厚层GaN和二次器件结构的外延，造成材料生长工序复杂代价高。
采用激光剥离方法可以获得蓝宝石上生长的GaN基外延膜，但是要获得大面积均匀的外延膜对激光剥离系统的要求很高，因此快速的大面积均匀的完整剥离技术和方法将是激光剥离技术的进一步开拓。剥离后的外延膜可广泛的应用于GaN基材料的同质生长中，以得道高质量GaN基材料和器件。将大面积激光剥离方法(结合？)和芯片连接技术相结合，直接应用于GaN基光电子器件制备中，避免了采用Pd/In合金键对键合压力的要求，优化了器件结构，对器件性能有显著提高，并且具有工艺简单、成本低等诸多优点，是未来GaN基光电子器件的重要发展方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用低功率密度的激光器，可以获得大面积的无蓝宝石生长衬底支撑的完整的GaN基外延膜。可用于GaN基材料的同质外延生长中；也可用于大面积均匀的极薄层的具有器件结构的外延膜的生长；不必在进行二次外延结构的生长，结合芯片连接技术还可直接应用于器件的制备中，制备垂直结构的GaN基光电子器件，简化器件制备工艺，降低器件热效应，提高器件性能。
本发明提出了一种可以获得大面积、均匀的、极薄层GaN基外延层的激光剥离的方法，该方法通过采用加入激光阈值辐照和(或)加热衬底，以降低激光剥离的功率密度，降低GaN和蓝宝石衬底界面处由于激光辐照而产生的应力，并获得相对较大的激光光斑，同时更提出螺旋线型聚焦激光光斑的扫描方式。对于具有器件结构的薄层外延膜剥离时GaN基外延薄膜通过低熔点的金属介质层连接在支撑衬底上制备垂直结构的GaN基光电子器件。
激光光斑通过透明的蓝宝石衬底辐照在界面处的GaN上时，要做到激光光斑和光斑之间很好的衔接，避免由于光斑重合造成对某处重复辐照而引入较大的损伤致使GaN层破裂，这对扫描控制系统的精确度要求非常严格，同时还需要在保证较高激光光功率密度的前提下对光斑进行光束整形，这不但对激光输出功率提出了高的要求更增加了激光器光学系统的复杂性，这些都会造成激光剥离系统庞大，价格昂贵。
根据本发明的一种GaN基外延层的大面积、低功率激光剥离方法，具体技术方案如下1.激光剥离GaN基外延层时，通过采用施加阈值偏置方式，给要剥离的外延片施加偏置，降低对聚焦光斑能量密度的要求，放宽了其光斑尺寸，就可很大幅度的降低光斑的重复几率，提高剥离后GaN基外延层的完整性。
2.采用螺旋线型或弧线型由外向内的激光光斑的扫描方式，由内向外充分的释放GaN层分解时产生氮气，减少瞬间、局域氮气在界面处产生的微爆对样品的损伤，同时该扫描方式和样品的形状一致更有利于应力的均匀释放。保证剥离后外延层的完整性和均匀性。
3.采用低熔点金属合金作为介质层实现外延层和支撑衬底的连接，保证GaN外延层和支撑衬底具有好的电和热接触，同时又有相当的机械强度和耐温能力，以实现基于支撑衬底上薄外延层光电子器件的制备，其中关键技术是在GaN上欧姆接触层上与AuSn接触的Au层下上加镀一层Ni以避免AuSn合金与Au的共熔，提高连接质量。
根据本发明的另一种GaN基外延层的大面积、低功率激光剥离方法具体技术方案如下1.将蓝宝石衬底的GaN基外延片P面用环氧型树脂粘附在玻璃、Si、Cu等支撑衬底上，放置在真空室中抽走胶中气泡，保证外延片和支撑衬底表明均匀无空洞的紧密接触。
2.激光剥离GaN基外延层时，通过采用施加阈值偏置方式，给要剥离的外延片施加偏置，降低对聚焦光斑能量密度的要求，放宽了其光斑尺寸，就可很大幅度的降低光斑的重复几率，提高剥离后GaN基外延层的完整性。
3.采用螺旋线型或弧线型由外向内的激光光斑的扫描方式，由内向外充分的释放GaN层分解时产生氮气，减少瞬间、局域氮气在界面处产生的微爆对样品的损伤，同时该扫描方式和样品的形状一致更有利于应力的均匀释放。保证剥离后外延层的完整性和均匀性。
4.有机溶剂浸泡粘附在支撑衬底上的GaN样品，待胶溶化后就可以得到无支撑的GaN基外延膜。
上面所述的施加阈值偏置方式方法有以下三种具体方式双光束同时辐照、采用电加热和红外加热。
下面结合附图对本发明进一步详细地说明图1是激光剥离系统几双光束设置示意图；图2是控制系统的光斑扫描方式示意图；
图3a～图3f是金属连接GaN外延片和支撑衬底示意图，其中图3a是在蓝宝石衬底GaN外延片上蒸镀透明电极Ni/Au；图3b是在Si衬底蒸镀欧姆接触电极Ti/Al/Ti/Au；图3c是GaN外延片和Si衬底上同时溅射Ni和AuSn层；图3d是加压加热将GaN外延片和Si衬底连接在一起；图3e是激光剥离连接有Si衬底的GaN外延片；图3f是转移至Si衬底上的GaN基外延膜；最佳实施例详细描述下面参照本发明的附图，更详细的描述出本发明的最佳实施例。
本发明的目的在于提供一种可以获得大面积的无蓝宝石生长衬底的完整的GaN基外延膜，用于GaN基材料的同质外延生长中，尤其是对于大面积均匀的极薄层的具有器件结构的外延膜，不必在进行二次外延结构的生长，结合芯片连接技术直接应用于器件的制备中。
本发明提出的可以获得大面积、均匀的、极薄层GaN基外延层的激光剥离的方法，该方法通过采用加入激光阈值辐照和加热衬底，以降低GaN和蓝宝石衬底界面处由于激光辐照而产生的应力，并获得相对较大的激光光斑，同时更提出螺旋线型聚焦激光光斑的扫描方式。对于具有器件结构的薄层外延膜剥离时GaN基外延薄膜通过低熔点的金属介质层连接在支撑衬底上制备垂直结构的GaN基光电子器件。
图1所示为激光剥离系统双光束设置示意，图2所示为控制系统的光斑扫描方式示意图，图3(3a-3f)是制备垂直结构的GaN基器件示意图。结合图1和图2和图3详细给出以下三个具有代表性的发明实施例。
实施例一的技术方案1.将蓝宝石衬底的GaN基外延片P面用环氧型树脂粘附在玻璃、Si、Cu等支撑衬底上，放置在真空室中抽走胶中气泡，保证外延片和支撑衬底表明均匀无空洞的紧密接触。
2.调整准分子激光器光路，如图1所示采用双光束同时辐照，激光脉冲6经过分光镜7分成两束光，其中光束1是分光镜7分出的光经过聚焦透镜9得到的聚焦光束，该光束是造成其界面处GaN分解的主要原因。另一束光是偏置光束，它是由分光镜7分出的光经过反射镜8得到的，偏置光束2光斑较大，能量密度较小，目的是引入偏置激光。使得聚焦光束1和偏置光束2重合的辐照样品，调整好步进电机3的步速使其和激光光斑及激光脉冲6频率一致，通过真空吸盘4将样品10固定好。
3.激光剥离时样品台采用螺旋线或弧线的步进方式，如图2。螺旋线的角度为0-360°。
4.激光扫描完样品10后，先用高于金属Ga熔点的热水再用1∶1的HCl浸泡样品，除去GaN和蓝宝石界面处的金属Ga，使得蓝宝石衬底脱落，将GaN基外延层转移至支撑衬底上。
5.有机溶剂浸泡粘附在支撑衬底上的GaN样品，待胶溶化后就可以得到无支撑的GaN基外延膜。
实施例二的技术方案1.将蓝宝石衬底的GaN基外延片P面用环氧型树脂粘附在玻璃、Si、Cu等支撑衬底上，放置在真空室中抽走胶中气泡，保证外延片和支撑衬底表明均匀无空洞的紧密接触。
2.用加电热器5，或采用样品环境局部红外加热方式加热样品，温度范围0-300℃3.用能量密度足够的准分子脉冲激光辐照处于加热状态的样品，进行激光剥离使GaN外延层11和蓝宝石衬底12分离。
4.激光剥离时样品台采用螺旋线或弧线的步进方式，如图2。螺旋线的角度为0-360°。
5.激光扫描完样品10后，先用高于金属Ga熔点的热水再用1∶1的HCl浸泡样品，除去GaN和蓝宝石界面处的金属Ga，使得蓝宝石衬底脱落，将GaN基外延层转移至支撑衬底上。
6.有机溶剂浸泡粘附在支撑衬底上的GaN样品，待胶溶化后就可以得到无支撑的GaN基外延膜。
实施例三的技术方案1.先直接在蓝宝石衬底12上的GaN基外延层11上大面积制备P型欧姆接触电极，如蒸镀Ni/Au透明电极1，然后在氧气∶氮气＝1∶1下500℃下合金5分钟。对于具有LED结构的外延片还需加镀Ti/Ag/Ti/Au的反射层，如图3a所示。其中“/”是金属层之间的分隔符号，如Ni/Au表示两层金属，第一层是金属Ni，第二层是金属Au，Ti/Ag/Ti/Au表示多层金属膜，依次分别是金属Ti、Ag、Ti、Au。
2.在清洗干净的n型高掺杂Si衬底3的上、下两个表面分别制备Ti/Al/Ti/Au欧姆接触电极4，如图3b。
3.在GaN的欧姆接触电极1和Si衬底3一面的欧姆接触电极4上溅射金属Ni阻挡层5，接着镀AuSn合金(Au80％，Sn％)6厚度100-1000nm，如图3c。
4.将步骤3中制备好的两个样品在显微镜下对好晶向，加压力7，压力大小为1-5个大气压，氮气氛下加热10-60分钟，加热温度50-300℃。如图3d。
5.将连接好的样品采用波长短于GaN带隙并对蓝宝石衬底透明的脉冲激光8进行剥离，得到转移至Si衬底3上的GaN基外延膜11。图(e)、(f)上述三个实施例只是本发明的举例，但依照本发明原理，这还可以衍生出其它各种方案，包括将这几种方案结合的各种方案。其中只要涉及到方案三尤其适用于获得极薄外延层的GaN基膜的激光剥离。
本发明有以下几个方面的优点(1)采用双光束激光辐照和衬底加热方法给GaN基外延层施加偏至，低了对激光剥离系统的要求。其中采用的聚焦光束在焦点附近光斑能量密度大，光斑均匀同时GaN层对偏至光束的吸收降低了对聚焦光斑能量密度的要求，放宽了其光斑尺寸，就可很大幅度的降低光斑的重复几率，提高剥离后GaN基外延层的完整性。
(2)采用螺旋式激光扫描方式可以获得大面积的无蓝宝石生长衬底的完整的2英寸GaN基外延膜，该方法由内向外充分了释放GaN层分解时产生氮气，减少瞬间、局域氮气在界面处产生的微爆对样品的损伤，同时该扫描方式和样品的形状一致更有利于应力的均匀释放，进一步保证了剥离后外延层的完整性和均匀性。
(3)可获得大面积均匀的极薄层的具有器件结构的外延膜，厚度可到3m；(4)采用AuSn合金作为介质层将GaN外延片和Si衬底连接，降低连接是对压力的要求，简化了连接过程。
尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。
权利要求
1.一种GaN基外延层的大面积、低功率激光剥离方法，具体包括以下步骤(1)激光剥离GaN基外延层时，通过给要剥离的外延片施加一个偏置，降低激光剥离的功率；(2)采用螺旋线型或弧线型由外向内的激光光斑的扫描方式；(3)采用低熔点金属合金作为介质层，实现外延层和支撑衬底的连接；
2.一种GaN基外延层的大面积、低功率激光剥离方法，具体包括以下步骤(1)将蓝宝石衬底的GaN基外延片P面用环氧型树脂粘附在承接衬底上，放置在真空室中抽走胶中气泡；(2)激光剥离GaN基外延层时，通过给要剥离的外延片施加一个偏置，降低激光剥离的功率；(3)采用螺旋线型或弧线型由外向内的激光光斑的扫描方式；(4)有机溶剂浸泡粘附在承载衬底上的GaN样品，待胶溶化后就可以得到无支撑的GaN基外延膜。
3.根据权利要求1或2所述的GaN基外延层的大面积、低功率激光剥离方法，其特征在于激光剥离GaN基外延层时，采用双光束同时辐照，其中一个光束是聚焦光束，光斑大小与扫描控制系统的步进匹配；另一光束为偏置光束，与聚焦光束相比，偏置光束光斑较大，能量密度较小。
4.根据权利要求1或2所述的GaN基外延层的大面积激光剥离方法，其特征在于激光剥离GaN基外延层时，用加电热器或采用样品环境局部红外加热方式加热衬底至温度偏置。
5.根据权利要求1或2所述的GaN基外延层的大面积激光剥离方法，其特征在于支撑衬底材料是玻璃、Si、或者金属。
6.根据权利要求1所述的GaN基外延层的大面积激光剥离方法，其特征在于采用低熔点AuSn合金作为介质层。
全文摘要
本发明涉及一种实现大面积激光剥离蓝宝石上生长的GaN基外延层的方法，本发明提供了一种可以获得大面积的均匀的无蓝宝石衬底的完整的薄层GaN基外延膜，GaN基外延层是在蓝宝石衬底上用HVPE方法生长的厚膜或用MOCVD方法生长的薄层外延膜，将GaN外延片通过特定的焊接材料和工艺焊接在Si片等其他热导性和电导性良好的支撑材料上，保证GaN外延层和承载衬底具有好的电和热接触，同时又有相当的机械强度和耐温能力。利用由外向内的扫描方式及热衬底、加入激光阈值偏置等措施，从蓝宝石一侧使用对蓝宝石透明而GaN强烈吸收的脉冲激光扫描外延片，实现GaN外延层和蓝宝石衬底的大面积均匀分离。发明尤其有利于完整剥离大面积薄层外延膜，通常为2inch的GaN基外延片。
文档编号H01L33/00GK1779900SQ200410009840
公开日2006年5月31日 申请日期2004年11月23日 优先权日2004年11月23日
发明者张国义, 康香宁, 陈志忠, 陈皓明, 秦志新, 于彤军, 胡晓东, 章蓓, 杨志坚 申请人:北京大学