日本和瑞士的研究人員已采用一種藍(lán)寶石襯底激光方式使氫化物氣相外延法(HVPE)生長(zhǎng)的GaN層厚度增加200μu03BCm左右。研究人員來(lái)自納米奇精密珠寶公司、洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)、納米奇精密有限公司和日本立命館大學(xué)。

由于比金屬有機(jī)化合物氣相沉積 (MOCVD)或分子束外延法更快，因此HVPE成為一種具有吸引力的GaN生長(zhǎng)技術(shù)。HVPE生長(zhǎng)速度可達(dá)到每小時(shí)幾百微米。但是，藍(lán)寶石與GaN之間的晶格常熟和熱膨脹差異成為該方法的阻礙。另一方面，降低穿透位錯(cuò)(TDs)的效果以及開(kāi)發(fā)自支撐GaN 襯底需要更厚的層。

該研究人員采用1045nm的飛秒激光(femtosecond laser)控制C面藍(lán)寶石襯底的應(yīng)力(如圖1)。激光集中在藍(lán)寶石材料中以制作不損壞用于外延生長(zhǎng)的晶體表面的非晶層(amorphous layers)。非晶區(qū)域是為體脹生產(chǎn)應(yīng)變(strain)。多種激光方式可應(yīng)用到：A，激光集中在襯底厚度上半部分，翹曲效果70μu03BCm;B，激光集中在厚度中部，翹曲近乎零;以及C，激光集中在上下半部分且有兩個(gè)非晶區(qū)域，翹曲近乎零。

圖1.襯底內(nèi)部激光處理原理及所涉及的襯底翹曲變化。

HVPE生長(zhǎng)從氮化作用和非原位表面制備(ex-situ surface preparation)開(kāi)始。然后襯底返回到HVPE反應(yīng)器以生長(zhǎng)厚的GaN。相對(duì)于MOCVD GaN，研究人員將自己技術(shù)比作兩步工藝(低溫成核/高溫生長(zhǎng))。未加工襯底在GaN模板破裂前的關(guān)鍵厚度為15?20μu03BCm。層大于80μu03BCm的話，襯底會(huì)碎裂(圖2)。激光處理的襯底可允許更厚的生長(zhǎng)層(表1)。

圖2.藍(lán)寶石襯底GaN層 圖：(a)為50μu03BCm的平面藍(lán)寶石GaN、(b)為80μu03BCm的藍(lán)寶石襯底GaN、(c)為80μu03BCm的A襯底GaN、(d)為200μu03BCm的B襯底(金六邊形邊微裂)，以及(d)為200μu03BCm的C襯底(未裂)GaN。

除了與關(guān)鍵厚度相關(guān)外，由于藍(lán)寶石與GaN之間的熱膨脹系數(shù)差異，破裂也會(huì)發(fā)生在冷處理時(shí)。激光方式的另一個(gè)效果是藍(lán)寶石在破裂前可承受更大的翹曲。研究人員預(yù)估，激光工藝可改進(jìn)經(jīng)受彎曲應(yīng)力的藍(lán)寶石襯底的靈活性。

表1.藍(lán)寶石襯底發(fā)生破裂的關(guān)鍵GaN厚度和獲得的關(guān)鍵翹曲。

該GaN材料質(zhì)量采用了陰極發(fā)光儀和原子力顯微鏡分析。在平面藍(lán)寶石生長(zhǎng)的薄層的TD厚度預(yù)計(jì)為2x108/cm2。激光處理的襯底上生長(zhǎng)的200μu03BCm GaN層降至 1x108/cm2 。