專利名稱：一種氮化鎵基外延膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氮化鎵基外延膜，尤其是涉及一種通過降低氣壓對藍(lán)寶石襯底上的GaN 外延膜進(jìn)行激光剝離的方法。
背景技術(shù)：
GaN及其相關(guān)m族氮化物材料通過調(diào)整合金組分，可以獲得從1.9eV(InN)至」6.2eV(AlN) 連續(xù)可調(diào)的帶隙能，因此，III族氮化物能覆蓋從紫外光到可見光這樣一個很寬范圍的頻譜， 這是它們成為制備藍(lán)光、綠光發(fā)光二極管以及紫外探測器和半導(dǎo)體激光器的優(yōu)選材料而備受 重視。
由于很難得到大尺寸的GaN單晶材料，目前，GaN器件通常采用藍(lán)寶石作為襯底，通過 異質(zhì)外延的方法制作。但是藍(lán)寶石作為異質(zhì)襯底存在高的晶格失配和高的熱失配、導(dǎo)熱性、 導(dǎo)電性能差等缺點，這一系列的難題促進(jìn)GaN激光剝離技術(shù)的研究。鍵合技術(shù)和激光剝離技 術(shù)相結(jié)合能將GaN從藍(lán)寶石襯底轉(zhuǎn)移到其它高電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率的襯底上，解決了藍(lán)寶石襯底 給器件帶來的不利影響。
激光剝離技術(shù)(LLO: Laser Lift-off)是采用紫外光波段的激光光源透過藍(lán)寶石襯底輻照 樣品，使藍(lán)寶石/GaN界面處的GaN發(fā)生熱分解生成金屬Ga以及N2。 N2逸出，加熱樣品至 金屬Ga的熔點(29°C)，使Ga融化，即能實現(xiàn)藍(lán)寶石與GaN的分離(Kelly M K, Ambacher O, Dahlheimer B, et al. Optical patterning of GaN films [ J ]. Appl. Phys. Lett. , 1996, 69: 1749 — 1751; WongW S， Sands T， Cheung N W. Damage-free separation of GaN thin films from sapphire substrates[ J ]. App 1. Phys. Lett. ， 1997， 72: 599 — 601; Bee Sim Tan, Shu Yuan, Xue Jun Kang. Performance enhancement of InGaN light-emitting diodes by laser lift-off and transfer from sapphire to copper substrate[ J ]. Appl. Phys. Lett. , 2004， 84: 2757 — 2759; Wong W S， Cho Y, Weber E R, et al. Structural and optical quality of GaN /metal/Si hetero structure fabricated by excimer laser lift-off[J]. Appl. Phys丄ett., 1999， 75:1887 _ 1889; Wong W S， Sands T ， Cheung N W, et al. Fabrication of thin-film InGaN light-emitting diode membranes by laser lift-o銜J ]. App 1. Phys. Lett., 1999, 75: 1360 — 1363)。
理論計算和試驗證實，GaN在l個大氣壓環(huán)境下的分解溫度大約為900'C。這就要求常壓下激光輻照系統(tǒng)進(jìn)行激光剝離的閾值能量密度大約為400mJ/cm2，即聚焦激光光斑的面積也很 小，而且不僅對激光器和激光剝離系統(tǒng)的要求很高，而且激光剝離處理的速度也受限制。
若降低激光剝離時GaN發(fā)生分解反應(yīng)的氣壓，則GaN分解所需要的溫度也隨之降低，所 要求的激光輻照系統(tǒng)進(jìn)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處理速度，達(dá)到快速大面積均勻的激光剝離。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種提高氮化鎵激光剝離的速率，降低氮化鎵激光剝離的閾值功 率密度，適用于在藍(lán)寶石襯底上生長的氮化鎵基材料所制備的器件和材料的氮化鎵基外延膜 的制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是采取在真空狀態(tài)下利用紫外激光輻照直接對氮化鎵進(jìn)行激光剝離， 通過降低氮化鎵分解反應(yīng)的氣壓來降低氮化鎵的分解溫度，縮短了氮化鎵激光剝離所需要的 時間，降低對聚焦光斑能量密度的要求，放大聚焦光斑的尺寸，達(dá)到對氮化鎵外延薄膜快速 低功率激光剝離的目的。
本發(fā)明包括以下步驟
1) 在藍(lán)寶石襯底上生長氮化鎵基外延膜；
2) 將藍(lán)寶石襯底上生長氮化鎵基外延膜的P面用環(huán)氧樹脂粘在襯底支撐材料上，或用金 屬鍵合在襯底支撐材料上；
3) 根據(jù)所要求的激光光斑大小和激光器脈沖頻率設(shè)定電動平臺的行進(jìn)的速度；
4) 將藍(lán)寶石襯底上生長氮化鎵基外延膜固定在載物玻璃上，再連同電動平臺一起放入真 空室中抽真空；
5) 調(diào)節(jié)激光器的輸出能量密度，調(diào)整激光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后的聚焦光斑大小，激光束進(jìn) 入真空室的石英透鏡窗口，照射到藍(lán)寶石襯底上生長氮化鎵外延膜的背面上，電動平臺沿二 維平動或螺旋線移動，激光光斑掃描整個藍(lán)寶石襯底上生長氮化鎵外延膜，使藍(lán)寶石和氮化 鎵界面的氮化鎵發(fā)生分解，氮化鎵基外延膜與藍(lán)寶石襯底分離；
6) 激光掃描藍(lán)寶石襯底上生長氮化鎵基外延膜結(jié)束后，先關(guān)閉閥門，再關(guān)閉真空泵；
7) 將藍(lán)寶石襯底上生長氮化鎵基外延膜浸入鹽酸中，去除氮化鎵和藍(lán)寶石表面的鎵，使 藍(lán)寶石襯底脫落，即得轉(zhuǎn)移到硅片或其他導(dǎo)熱導(dǎo)電襯底上的氮化鎵基外延膜。
在藍(lán)寶石襯底上生長氮化鎵基外延膜可采用金屬有機(jī)物氣相外延(MOCVD)、分子束外 延(MBE)、氫化物外延(HVPE)等方法。
所述激光器可采用準(zhǔn)分子脈沖激光器，例如COMPex 100 Series激光器。所述襯底支撐材料可選用Si、玻璃、銅片等材料。 所述抽真空的真空度最好為10 10—5Pa。 所述鹽酸的濃度最好為50%。
所述再連同電動平臺一起放入真空室中抽真空之前，最好利用加熱裝置對藍(lán)寶石襯底上 生長氮化鎵外延膜進(jìn)行加熱。
本發(fā)明是將藍(lán)寶石襯底上生長氮化鎵基外延膜放置在真空室中，安裝在電動平臺上，利 用低真空泵或高真空泵等抽真空裝置對真空室進(jìn)行抽真空，可達(dá)10 10—spa的真空度。同時 對藍(lán)寶石襯底進(jìn)行加熱，選擇合適波長的紫外激光從藍(lán)寶石襯底一側(cè)對樣品進(jìn)行輻照，界面 處的氮化鎵分解，將樣品浸入稀鹽酸中，就可以得到氮化鎵外延膜與藍(lán)寶石襯底的分離。由 于氮化鎵的分解反應(yīng)在真空室中進(jìn)行，要求的激光閾值功率密度降低，可以加大聚焦光斑的 尺寸，這樣在剝離過程中大幅度地降低光斑重復(fù)幾率，提高剝離后氮化鎵基外延層的完整性， 而且加快激光剝離的速度。
本發(fā)明的機(jī)理和技術(shù)特點是在激光剝離技術(shù)中采用能量小于藍(lán)寶石帶隙大于氮化鎵帶隙 的激光穿透藍(lán)寶石襯底到達(dá)藍(lán)寶石/氮化鎵界面，則金屬化合物氮化鎵在一定的壓強(qiáng)和溫度 下會發(fā)生分解，反應(yīng)式如下
G淑j) 齲> Ga( /) + i 乂( g)
通過理論計算可知，在一個大氣壓下氮化鎵的分解溫度為900°C，若反應(yīng)平衡的壓強(qiáng)低 于一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，氮化鎵分解的溫度也隨之降低，則所要求的激光閾值功率密度也降低。 本發(fā)明利用低真空泵或高真空泵等抽真空裝置對真空室進(jìn)行抽真空，最低可達(dá)10—5Pa的真空 度，計算可得在此真空度下氮化鎵的分解溫度降低到688K，因此聚焦光斑面積可以放大2.4 倍，方便靈活獲得快速低功率的激光剝離。
由此可見，本發(fā)明所采用的通過降低氣壓快速低功率激光剝離氮化鎵基外延膜，具有以 下突出的優(yōu)點-
1. 通過對樣品所處的環(huán)境進(jìn)行抽真空，降低氮化鎵分解時反應(yīng)的氣壓，進(jìn)而降低了氮化 鎵的分解溫度。
2. 氮化鎵分解溫度降低后，激光剝離所要求的閾值功率密度也隨之降低，激光的光斑放 大，減小光斑重復(fù)的幾率，提高剝離后氮化鎵基外延層的完整性，加快了處理時間。
3. 降低激光剝離系統(tǒng)中激光器的配置，降低成本。


圖1為本發(fā)明實施例1的全封閉式低真空激光剝離系統(tǒng)的組成框圖。
5圖2為本發(fā)明實施例2的半封閉式低真空激光剝離系統(tǒng)的組成框圖。 圖3為本發(fā)明實施例3的全封閉式高真空激光剝離系統(tǒng)的組成框圖。 圖4為本發(fā)明實施例4的半封閉式高真空激光剝離系統(tǒng)的組成框圖。
具體實施方式
下面通過具體實施例的闡述，進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實質(zhì)性特點和顯著的進(jìn)步。 實施例1如圖1所示采用全封閉式低真空激光剝離系統(tǒng)，具體方案包括以下步驟-1. 采用金屬有機(jī)物氣相外延法在藍(lán)寶石襯底上生長GaN外延膜。2. 將藍(lán)寶石襯底上生長氮化鎵基外延膜的P面用環(huán)氧樹脂粘在Si片、玻璃或銅片上， 放置在真空室中抽走環(huán)氧樹脂中的氣泡，保證GaN基外延片與支撐襯底均勻無空洞的接觸。3. 將粘附在支撐襯底上的藍(lán)寶石襯底上生長的氮化鎵基外延膜樣品5固定在載物玻璃6 上，將樣品5和電動平臺7—起放入真空室8中，打開閥門9，使用機(jī)械泵IO，對真空室8 進(jìn)行抽低真空至4 5pa。4. 調(diào)節(jié)準(zhǔn)分子激光器輸出能量密度為400mJ/cm2，脈沖頻率1HZ,脈沖激光1經(jīng)過光學(xué) 系統(tǒng)2調(diào)整合適的聚焦光斑大小3，光斑面積lmmXlmm，進(jìn)入石英透鏡窗口 4，照射到樣 品5的藍(lán)寶石背面上。電動平臺沿二維平動或螺旋線移動，步速lmWs。激光光斑掃描整個 樣品，藍(lán)寶石和GaN界面的GaN發(fā)生分解，GaN外延膜與藍(lán)寶石襯底分離。5. 激光掃描樣品結(jié)束后，先關(guān)閉閥門9，再關(guān)閉低真空泵IO。6. 激光掃描后，將樣品浸入濃度50%的鹽酸中，去除GaN和藍(lán)寶石表面的Ga，使藍(lán)寶 石襯底脫落，GaN外延膜轉(zhuǎn)移到支撐襯底上去。7. 將樣品浸泡到有機(jī)溶劑中，環(huán)氧樹脂溶化后就可以得到自支撐的GaN外延膜。 實施例2如圖2所示采用半封閉式低真空激光剝離系統(tǒng)，具體方案包括以下步驟1. 采用金屬有機(jī)物氣相外延(MOCVD)在藍(lán)寶石襯底上生長GaN外延膜。2. 藍(lán)寶石襯底上生長氮化鎵基外延膜的P面用環(huán)氧樹脂粘在Si片、玻璃或銅片上，放置在真空室中抽走環(huán)氧樹脂中的氣泡，保證GaN基外延片與支撐襯底均勻無空洞的接觸。3. 將粘附在支撐襯底上的藍(lán)寶石襯底上生長的氮化鎵基外延膜樣品5固定在載物玻璃6 上，真空室8后端固定在電動平臺7上。4. 打開閥門9，使用機(jī)械泵10對真空室8進(jìn)行抽低真空至4~5pa。5. 調(diào)節(jié)準(zhǔn)分子激光器輸出能量密度為400mJ/cm2，脈沖頻率1HZ，脈沖激光1經(jīng)過光學(xué) 系統(tǒng)2調(diào)整合適的聚焦光斑大小3，光斑面積lmmXlmm，進(jìn)入石英透鏡窗口 4，照射到樣品5的藍(lán)寶石背面上。電動平臺沿二維平動或螺旋線移動，步速lmm/s。激光光斑掃描整個 樣品，藍(lán)寶石和GaN界面的GaN發(fā)生分解，GaN外延膜與藍(lán)寶石襯底分離。6. 激光掃描樣品結(jié)束后，先關(guān)閉閥門9，再關(guān)閉機(jī)械泵IO。7. 將樣品取出，浸入濃度50%的鹽酸中，去除GaN和藍(lán)寶石表面的Ga，使藍(lán)寶石襯底 脫落，GaN外延膜轉(zhuǎn)移到支撐襯底上。8. 將樣品浸泡到有機(jī)溶劑中，環(huán)氧樹脂溶化后就可以得到自支撐的GaN外延膜。 實施例3如圖3所示采用全封閉式高真空激光剝離系統(tǒng)，具體方案包括以下步驟-1. 采用金屬有機(jī)物氣相外延(MOCVD)在藍(lán)寶石襯底上生長GaN外延膜。2. 藍(lán)寶石襯底上生長氮化鎵基外延膜的P面用環(huán)氧樹脂粘在Si片、玻璃或銅片上，放 置在真空室中抽走環(huán)氧樹脂中的氣泡，保證GaN基外延片與支撐襯底均勻無空洞的接觸。3. 將粘附在支撐襯底上的藍(lán)寶石襯底上生長的氮化鎵基外延膜樣品5固定在載物玻璃6 上，利用加熱裝置7對樣品5進(jìn)行加熱，加熱溫度40(TC加熱裝置的電源為8。將樣品、加熱 裝置和電動平臺9 一起放入真空室10中。打開預(yù)抽閥11，使用機(jī)械泵12，對真空室10進(jìn)行 抽低真空至4 5Pa。5. 關(guān)閉預(yù)抽閥ll，打開前級閥13，使用高真空泵14分子泵或擴(kuò)散泵對真空室10進(jìn)行 抽高真空至1(T4 10—5Pa。6. 調(diào)節(jié)準(zhǔn)分子激光器輸出能量密度為400mJ/cm2，脈沖頻率1HZ，脈沖激光1經(jīng)過光學(xué) 系統(tǒng)2調(diào)整合適的聚焦光斑大小3,光斑面積lmmXlmm，進(jìn)入石英透鏡窗口 4，照射到樣 品5的藍(lán)寶石背面上。電動平臺沿二維平動或螺旋線移動，步速lmm/s。激光光斑掃描整個 樣品，藍(lán)寶石和GaN界面的GaN發(fā)生分解，GaN外延膜與藍(lán)寶石襯底分離。7. 激光掃描樣品結(jié)束后，先關(guān)閉高真空泵14， 一段時間后，關(guān)閉前級閥13，最后后關(guān) 閉機(jī)械12。8. 將樣品取出，浸入濃度50%的鹽酸中，去除GaN和藍(lán)寶石表面的Ga，使藍(lán)寶石襯底 脫落，GaN外延膜轉(zhuǎn)移到其他襯底上去。9. 利用環(huán)氧樹脂作為中間層的樣品，則將樣品浸泡到有機(jī)溶劑中，環(huán)氧樹脂溶化后就可 以得到自支撐的GaN外延膜。實施例4如圖4所示采用半封閉式高真空激光剝離系統(tǒng)，具體方案包括以下步驟 1.采用金屬有機(jī)物氣相外延(MOCVD)在藍(lán)寶石襯底上生長GaN外延膜。2.在GaN基外延片的P片和Si片、玻璃或銅片等支撐襯底上分別濺射Ti/Au，將GaN 基外延片的P片和支撐襯底對準(zhǔn)，放入在鍵合機(jī)中，在300N壓力，40(TC溫度下進(jìn)行鍵合。4. 將鍵合在支撐襯底上的藍(lán)寶石襯底上生長的氮化鎵基外延膜樣品5固定在載物玻璃6 上，利用加熱裝置7對樣品5進(jìn)行加熱，加熱溫度為40(TC，加熱裝置的電源為8。真空室 10后端固定在電動平臺9上。打開預(yù)抽閥11，使用機(jī)械泵12對真空室10進(jìn)行抽低真空至 4 5Pa。5. 關(guān)閉預(yù)抽閥ll，打開前級閥13，使用高真空泵14分子泵或擴(kuò)散泵對真空室IO進(jìn)行 抽高真空至10^ l(T5Pa。6. 等到降到所需高真空度后，調(diào)節(jié)準(zhǔn)分子激光器，脈沖激光1經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)2調(diào)整合適 的聚焦光斑大小3，進(jìn)入石英透鏡窗口4，從藍(lán)寶石一面照射到樣品5上。電動平臺沿二維平 動。激光光斑掃描整個樣品，藍(lán)寶石和GaN界面的GaN發(fā)生分解，GaN外延膜與藍(lán)寶石襯 底分離。7. 激光掃描樣品結(jié)束后，先關(guān)閉高真空泵14， 一段時間后，關(guān)閉前級閥13，最后后關(guān) 閉機(jī)械泵12。8. 將樣品取出，浸入濃度50%的鹽酸中，去除GaN和藍(lán)寶石表面的Ga，使藍(lán)寶石襯底 脫落，GaN外延膜轉(zhuǎn)移到支撐襯底上。
權(quán)利要求
1.一種氮化鎵基外延膜的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)采用金屬有機(jī)物氣相外延法、分子束外延法或氫化物外延法在藍(lán)寶石襯底上生長氮化鎵基外延膜；2)將藍(lán)寶石襯底上生長氮化鎵基外延膜的P面用環(huán)氧樹脂粘在襯底支撐材料上，或用金屬鍵合在襯底支撐材料上；3)根據(jù)所要求的激光光斑大小和激光器脈沖頻率設(shè)定電動平臺的行進(jìn)的速度；4)將藍(lán)寶石襯底上生長氮化鎵基外延膜固定在載物玻璃上，再連同電動平臺一起放入真空室中抽真空；5)調(diào)節(jié)激光器的輸出能量密度，調(diào)整激光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后的聚焦光斑大小，激光束進(jìn)入真空室的石英透鏡窗口，照射到藍(lán)寶石襯底上生長氮化鎵外延膜的背面上，電動平臺沿二維平動或螺旋線移動，激光光斑掃描整個藍(lán)寶石襯底上生長氮化鎵外延膜，使藍(lán)寶石和氮化鎵界面的氮化鎵發(fā)生分解，氮化鎵基外延膜與藍(lán)寶石襯底分離；6)激光掃描藍(lán)寶石襯底上生長氮化鎵基外延膜結(jié)束后，先關(guān)閉閥門，再關(guān)閉真空泵；7)將藍(lán)寶石襯底上生長氮化鎵基外延膜浸入鹽酸中，去除氮化鎵和藍(lán)寶石表面的鎵，使藍(lán)寶石襯底脫落，即得轉(zhuǎn)移到硅片或其他導(dǎo)熱導(dǎo)電襯底上的氮化鎵基外延膜。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基外延膜的制備方法，其特征在于所述襯底支撐材料 選自Si、玻璃或銅片。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基外延膜的制備方法，其特征在于所述抽真空的真空 度為10 l(T5Pa。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基外延膜的制備方法，其特征在于所述鹽酸的濃度為 50%。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基外延膜的制備方法，其特征在于所述再連同電動平 臺一起放入真空室中抽真空之前，利用加熱裝置對藍(lán)寶石襯底上生長氮化鎵外延膜進(jìn)行加熱。
全文摘要
一種氮化鎵基外延膜的制備方法，涉及一種氮化鎵基外延膜。提供一種提高氮化鎵激光剝離的速率，降低氮化鎵激光剝離的閾值功率密度的氮化鎵基外延膜的制備方法。在藍(lán)寶石襯底上生長氮化鎵基外延膜，將其P面粘在襯底支撐材料上，或用金屬鍵合在襯底支撐材料上；設(shè)定電動平臺的行進(jìn)速度；將外延膜固定在載物玻璃上，放入真空室中抽真空；調(diào)整激光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后的聚焦光斑大小，激光束照射到外延膜背面，激光光斑掃描外延膜，使藍(lán)寶石和氮化鎵界面的氮化鎵發(fā)生分解，氮化鎵基外延膜與藍(lán)寶石襯底分離；激光掃描藍(lán)寶石襯底上生長氮化鎵基外延膜結(jié)束后，關(guān)閉真空泵；將外延膜浸入鹽酸，去除氮化鎵和藍(lán)寶石表面的鎵，使藍(lán)寶石襯底脫落。
文檔編號H01S5/00GK101246820SQ200810070780
公開日2008年8月20日 申請日期2008年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月19日
發(fā)明者劉寶林, 鄭清洪, 瑾 黃 申請人:廈門大學(xué)