在商用生产中，蓝宝石通常被用作氮化镓（GaN）外延生长的衬底。然而，由于GaN与蓝宝石之间存在显著的晶格失配（GaN和蓝宝石的晶格常数差异约为16%）和热失配，导致外延层中产生大量位错缺陷和其他结构缺陷。这些缺陷会严重影响GaN基器件的性能和可靠性。此外，蓝宝石材料本身存在导电性（1011 Ω·cm）和热导率较低（约35 W·m⁻¹·K⁻¹）的局限性，无法有效满足高功率和高热负荷下的器件需求。这使得蓝宝石难以用于垂直结构器件制造，如功率电子器件和大功率发光二极管（LED）等。
为了解决这些问题，近年来研究人员将GaN外延层从蓝宝石衬底上剥离并转移到导热性和导电性更好的衬底材料（如Si、SiC或Cu）上，以提高器件的热管理性能和电流处理能力。例如，硅（Si）在室温（300 K）下具有约150 W·m⁻¹·K⁻¹的导热系数和2.3×10⁵ Ω·cm的电阻率，显著优于蓝宝石，这使得它成为一种极具吸引力的替代衬底材料。
目前，已经发展出多种技术用于剥离GaN外延层，包括激光剥离（Laser Lift-Off，LLO）、蓝宝石研磨、干法蚀刻、自发应力诱导剥离以及受控剥离等。其中，激光剥离技术因其高效、快速且可靠的特点，逐渐成为业界的主流方法。激光剥离技术最早由Kelly等人在1999年提出，他们使用波长为355 nm、脉冲宽度为6 ns的Nd:YAG激光器成功剥离了GaN外延层。随后，Vladislav等人采用红外飞秒激光技术实现了GaN薄膜的剥离和转移，进一步证明了该技术的可行性。
激光剥离技术的基本原理是利用短脉冲激光对GaN与蓝宝石界面处的材料进行局部加热，通过热应力或热分解作用将GaN外延层与蓝宝石衬底分离。在工业LED生产中，激光剥离已经成为一种标准工艺，主要用于将生长在蓝宝石上的LED结构转移到导电性更好的衬底上，从而显著提升LED的电学和光学性能。
然而，激光剥离技术并非没有缺点。尽管该方法在大规模生产中表现出色，但有研究表明，激光剥离可能会增加GaN晶体中的缺陷密度，尤其是位错缺陷，这会对器件的电流-电压特性产生不利影响，并导致发光效率的下降。Niehus等人通过研究纳秒和皮秒激光脉冲剥离的过程，发现纳秒激光由于快速的温度升高和热扩散，容易在外延层中引发热应力，从而降低晶体质量。为此，一些研究开始探索使用飞秒激光或优化剥离工艺，以减小这些负面影响，提高剥离后GaN层的质量。
江苏大学的科研人员采用一种超快皮秒激光技术剥离蓝宝石上的 GaN 外延层，与纳秒激光的不同之处在于使用的超快皮秒激光脉冲宽度为 15 ps，皮秒激光和材料相互作用的超短时间抑制了热效应，大幅度减小了剥离过程中激光引起的晶体损伤。
实验
在蓝宝石衬底上进行半极性面样品的生长是一项复杂的工艺。首先，采用光刻技术在蓝宝石衬底上制备图案化结构，并通过引入Cl₂/BCl₃气体，在感应耦合等离子体蚀刻下形成凹槽结构。这些凹槽的宽度为3.6 μm、深度为1 μm，间距为2.5 μm，且沿着特定晶向规则分布。经过光刻胶掩模的去除后，蓝宝石衬底便具备了用于外延生长的基础结构。接下来，采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在这些图案化蓝宝石衬底上生长半极性GaN外延层。首先在其表面生长一层n型GaN层，随后通入三乙基镓（TEGa）、三甲基铟（TMIn）和氨气（NH₃）等气体，以多周期的方式沉积InGaN/GaN量子阱层。整个生长过程在2.7×10⁴ Pa（200 Torr）的压力下进行，量子阱的生长温度在740~810℃之间波动，最后形成典型的LED结构，包括p型GaN层、InGaN/GaN量子阱层和n型GaN层。
激光剥离流程图。a）GaN 外延层结构图；（b）粘合临时衬底；（c）激光剥离；（d）取下蓝宝石衬底；（e）去除临时衬底并转移至 Si衬底；（f）测试 GaN 基 LED 器件性能 图源：公开网络
为了实现外延层的剥离，科研人员将热释放胶带（TRT）粘附在p-GaN表面作为临时衬底，为后续激光剥离过程提供支撑。在超快皮秒激光的帮助下，激光束穿过透明的蓝宝石背面，沿特定路径进行扫描。通过这一过程，可以将GaN外延层从蓝宝石衬底上分离出来。然后，将剥离后的GaN外延层转移到硅（Si）衬底上，并通过95℃的退火工艺移除TRT，从而完成了外延层的转移。
在整个激光剥离过程中，使用了波长为1064 nm、脉冲宽度为15皮秒、重复频率为100 kHz的Nd:YAG皮秒激光器。激光束的光斑直径为40 μm，通过精确的振镜扫描仪控制激光的焦点位置，确保剥离过程的高效性和精确度。
为了表征样品的性能，采用了扫描电子显微镜（SEM）观察其表面形貌，并使用激光显微拉曼光谱分析样品内部的应力分布。同时，通过连接探针台的半导体表征系统测量样品的I-V特性曲线、发光光谱（EL）和光致发光光谱（PL）。在光学测试过程中，使用了405 nm波长的连续激光，并通过物镜聚焦形成约10 μm的光斑进行测量。
结果与讨论
在研究中，江苏大学的科研人员成功利用波长为1064 nm的超快皮秒激光技术对蓝宝石衬底上的半极性GaN基LED进行了激光剥离。实验表明，当激光的能量密度达到1.3 J/cm²时，可以实现有效的外延层剥离。通过扫描电子显微镜（SEM）的表征发现，剥离后经过清洗的GaN表面保持了良好的平整度，表面质量较高。拉曼光谱测试显示，剥离后的GaN层中的残余应力从原先的1.42 GPa大幅降低至0.29 GPa，表明激光剥离过程显著减少了应力积累。
蓝宝石上 GaN 基 LED（黑）和 Si基 GaN LED（红）的 I⁃V 特性曲线（a）和 EL 光谱（b）图源：公开网络
电学性能测试结果进一步验证了剥离效果的提升。在5V电压下，GaN基LED的正向电流从0.164 mA增加至0.759 mA，同时，光致发光（PL）和电致发光（EL）的强度也得到了明显增强。这些数据表明，超快激光剥离技术能够有效减少对半极性GaN基LED的损伤，改善其电学和光学性能。
蓝宝石上的 GaN 基 LED（a）和 Si基 GaN LED（b）的 PL 光谱 图源公开网络
综上所述，超快激光剥离技术展现了将GaN基LED外延层从蓝宝石衬底上高效剥离的巨大潜力，为未来GaN基LED器件的制造与加工提供了一个可行的解决方案。
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