激光处理的蓝宝石可增加HVPE GaN厚度

日本和瑞士的研究人员已采用一种蓝宝石衬底激光方式使氢化物气相外延法(HVPE)生长的GaN层厚度增加200μu03BCm左右。研究人员来自纳米奇精密珠宝公司、洛桑联邦理工学院(EPFL)、纳米奇精密有限公司和日本立命馆大学。

由于比金属有机化合物气相沉积 (MOCVD)或分子束外延法更快，因此HVPE成为一种具有吸引力的GaN生长技术。HVPE生长速度可达到每小时几百微米。但是，蓝宝石与GaN之间的晶格常熟和热膨胀差异成为该方法的阻碍。另一方面，降低穿透位错(TDs)的效果以及开发自支撑GaN 衬底需要更厚的层。

该研究人员采用1045nm的飞秒激光(femtosecond laser)控制C面蓝宝石衬底的应力(如图1)。激光集中在蓝宝石材料中以制作不损坏用于外延生长的晶体表面的非晶层(amorphous layers)。非晶区域是为体胀生产应变(strain)。多种激光方式可应用到：A，激光集中在衬底厚度上半部分，翘曲效果70μu03BCm;B，激光集中在厚度中部，翘曲近乎零;以及C，激光集中在上下半部分且有两个非晶区域，翘曲近乎零。

图1.衬底内部激光处理原理及所涉及的衬底翘曲变化。

HVPE生长从氮化作用和非原位表面制备(ex-situ surface preparation)开始。然后衬底返回到HVPE反应器以生长厚的GaN。相对于MOCVD GaN，研究人员将自己技术比作两步工艺(低温成核/高温生长)。未加工衬底在GaN模板破裂前的关键厚度为15‑20μu03BCm。层大于80μu03BCm的话，衬底会碎裂(图2)。激光处理的衬底可允许更厚的生长层(表1)。

图2.蓝宝石衬底GaN层 图：(a)为50μu03BCm的平面蓝宝石GaN、(b)为80μu03BCm的蓝宝石衬底GaN、(c)为80μu03BCm的A衬底GaN、(d)为200μu03BCm的B衬底(金六边形边微裂)，以及(d)为200μu03BCm的C衬底(未裂)GaN。

除了与关键厚度相关外，由于蓝宝石与GaN之间的热膨胀系数差异，破裂也会发生在冷处理时。激光方式的另一个效果是蓝宝石在破裂前可承受更大的翘曲。研究人员预估，激光工艺可改进经受弯曲应力的蓝宝石衬底的灵活性。

表1.蓝宝石衬底发生破裂的关键GaN厚度和获得的关键翘曲。

该GaN材料质量采用了阴极发光仪和原子力显微镜分析。在平面蓝宝石生长的薄层的TD厚度预计为2x108/cm2。激光处理的衬底上生长的200μu03BCm GaN层降至 1x108/cm2 。