超快激光助力氮化镓材料：剥离技术的革新与未来

DT半导体材料 2024-10-12 18:35

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在电力电子领域，硅基半导体器件由于其成熟的工艺和广泛的应用，长期占据主导地位。然而，随着对更高电流、更大电压和更高温度环境下稳定工作的需求不断增长，硅基功率器件的性能逐渐接近其物理极限，无法完全满足新一代电子设备的要求。为应对这一挑战，第二代半导体材料（如砷化镓）以及第三代宽禁带半导体材料（如氮化镓GaN和碳化硅SiC）应运而生。这些新材料并非完全取代硅，而是针对特定应用场景展现出更为优越的性能。

第三代半导体材料，特别是GaN，相比传统的硅基材料具备多项优势。例如，GaN功率器件的临界电场强度高达硅的10倍以上，这意味着GaN器件能够在更高的电压下工作，同时保持较小的器件尺寸和低损耗。此外，GaN具备更低的开态电阻和更快的开关速度，使得其在高频应用中表现出色，尤其在电动汽车充电桩、5G基站、电源管理以及航空航天等领域。GaN功率器件不仅提高了系统效率，还显著减少了设备的尺寸和重量。

然而，GaN材料的产业链并不成熟，尤其在衬底制造环节存在较大的技术壁垒。GaN的高温分解特性使得其无法采用传统硅晶片的直拉法，而必须依赖气相反应合成。然而，由于氮气化学性质稳定且镓元素稀有，生长GaN单晶过程缓慢且伴随大量副产物，导致其衬底制造成本极其高昂。尽管GaN单晶作为外延生长的理想衬底材料具有很高的潜力，但其高成本限制了大规模应用。

因此，当前工业界广泛采用的替代方案是异质外延，即在硅、碳化硅或蓝宝石衬底上生长GaN薄膜。虽然这些异质衬底的晶格失配会导致缺陷密度增加，影响器件性能，但其低成本和成熟的工艺使得其在许多应用场景中得到了普遍采用。与之相比，基于GaN同质衬底的器件应用仍处于较早期阶段，特别是在高性能电力电子领域，GaN单晶衬底有望在未来随着技术进步和成本下降得到更多应用。

什么是氮化镓激光剥离技术

传统GaN基器件主要通过在蓝宝石等刚性衬底上进行异质外延生长，如何实现低损伤、高效率地将GaN层从刚性衬底上剥离成为关键工艺。激光剥离（LLO）技术因其无污染、稳定高效的特点被广泛采用。LLO通常使用准分子或纳秒紫外激光器，因其光子能量适合GaN的带隙吸收，能够加热界面区域的GaN层至分解温度，实现与衬底分离。日本和中国研究团队近年来在LLO技术上取得了重要进展，极大地提高了衬底的重复利用效率并优化了工艺过程。

图源：公开网络

例如，日本科学家Hiroshi Amano团队开发了激光剥离GaN衬底的新方法，该方法不仅减少了在切割过程中的损耗，还使得衬底在剥离后经过抛光能够重复使用。这项突破为GaN基器件的大规模制造提供了更高效的解决方案。在中国，北京工业大学的季凌飞研究团队通过紫外超快激光进行氮化镓薄膜剥离，所需激光通量显著低于传统LLO方法，并且能够大幅降低表面粗糙度。这种超快激光技术能够减少热积累，提高剥离效率，为提升GaN器件性能提供了新的途径。

图源：公开网络

从全球GaN衬底市场来看，日本厂商如住友电工、三菱化学等处于领先地位，掌握着超过85%的市场份额。相较之下，中国在GaN衬底技术上的核心创新能力相对薄弱，主要集中在军工领域。然而，国内企业如苏州纳维、东莞中镓、上海镓特等在GaN单晶生长方面也在不断进步，逐步缩小与国际领先企业的差距。

氮化镓激光剥离技术（LLO）的核心原理是利用激光能量精准剥离氮化镓薄膜。激光束照射氮化镓层时，能量被其选择性吸收，导致局部区域快速升温并引发应力。当应力累积达到临界值时，氮化镓薄膜与衬底界面断裂，从而实现剥离。选择合适的光源至关重要，常用的准分子激光器和纳秒紫外激光器因其光子能量大于氮化镓带隙，能够有效分离薄膜，而对蓝宝石等衬底材料影响较小。北京工业大学季凌飞团队采用355nm紫外超快激光，显著提升了剥离效率并减少损伤。

应用领域

光电子器件

氮化镓激光剥离技术在光电子器件制造中展现了巨大潜力。该技术生产的氮化镓薄膜具备高质量、低缺陷密度等优点，非常适合用于制造高性能光电子器件，如LED和激光器。特别是在蓝光LED的制备中，激光剥离技术能够显著提升光电转换效率和发光性能，使其在照明、显示等领域得到广泛应用。氮化镓基器件凭借其高效性与耐用性，推动了高性能光电子产品的商业化发展。

太阳能电池

在太阳能电池领域，氮化镓因其优异的光电转换效率和抗辐射能力引起了广泛关注。通过氮化镓激光剥离技术，可以制备大面积且均匀的氮化镓薄膜，这对提升太阳能电池的转换效率和长期稳定性至关重要。精确控制剥离过程能有效降低缺陷密度，保证薄膜的完整性，从而支持高效氮化镓基太阳能电池的开发，尤其适用于空间太阳能电池等对抗辐射性能有较高要求的应用场景。

MEMS领域

随着微电子技术的快速发展，对高性能、低功耗器件的需求日益增加，氮化镓（GaN）因其出色的电学性能，在微电子和集成电路领域展现出广阔前景。GaN激光剥离技术通过精确剥离薄膜，助力了高效微电子器件的制造。

近年来，氮化镓激光剥离技术不断取得新的突破。一方面，科研人员通过优化激光参数（如波长、功率、脉宽等），提高了剥离效率和质量；另一方面，新型激光器的研发和应用也为氮化镓激光剥离技术带来了新的发展机遇。例如，超快激光器因其短脉冲宽度和低热积累特性，在氮化镓激光剥离过程中表现出色，显著降低了剥离过程中的热损伤和残余应力。

除了技术层面的优化外，氮化镓材料本身及其相关器件的研究也取得了显著进展。研究人员通过调整氮化镓材料的生长条件、掺杂浓度等参数，提高了材料的晶体质量和光电性能；同时，针对氮化镓基器件的结构设计、制造工艺等方面进行了深入研究，推动了氮化镓器件向高性能、小型化方向发展。