氮化鎵(GaN)作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體核心材料之一，具有高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率、抗輻射能力強(qiáng)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)良物理特性，是制作光電子、電力電子和微電子的理想材料。
但是目前大多數(shù)GaN器件都是通過異質(zhì)襯底外延獲得，因此不可避免地會(huì)使器件的功能外延層存在由晶格和熱失配引起的應(yīng)力和相應(yīng)的缺陷，從而影響器件的性能和可靠性?；诟哔|(zhì)量GaN單晶上的同質(zhì)外延就能夠有效解決以上關(guān)鍵問題，其產(chǎn)品性能會(huì)明顯優(yōu)于在硅襯底、藍(lán)寶石襯底、碳化硅襯底上生長(zhǎng)出的氮化鎵外延片，內(nèi)部缺陷密度僅為藍(lán)寶石襯底外延片的千分之一，可以有效地降低LED的結(jié)溫，讓單位面積亮度提升10倍以上。
但是氮化鎵單晶制備工藝難度很大，價(jià)格也十分昂貴，一片2英寸的氮化鎵晶片，在國際市場(chǎng)上的售價(jià)高達(dá)5000美元，而且一片難求。GaN單晶襯底的缺乏已成為制約GaN器件發(fā)展的瓶頸。
因此，為了盡可能地減少昂貴的氮化鎵單晶襯底的消耗，由名古屋大學(xué)和日本國家材料科學(xué)研究所等組成的研究團(tuán)隊(duì)做了相關(guān)研究，并于5月5日在《自然》期刊發(fā)表了一項(xiàng)GaN襯底減薄新技術(shù)——激光減薄技術(shù)。
據(jù)介紹，該技術(shù)可以將氮化鎵襯底產(chǎn)能提升3倍，同時(shí)可以省去襯底拋光工藝，因此有助于幫助降低氮化鎵單晶器件制造成本，該技術(shù)也有望應(yīng)用于碳化硅單晶切割。
Schematic of device fabrication process with reusable substrates.
其實(shí)，該新技術(shù)和傳統(tǒng)的Smart Cut™技術(shù)有相似之處，Smart Cut™技術(shù)采用的是離子注入法切割，可切割出亞微米厚度的非常薄的GaN層。但激光切割技術(shù)很難切出如此薄的GaN層，因?yàn)镚aN在激光切割過程中會(huì)被分解。為此，該團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)了背面激光照射法來剝離器件層。
根據(jù)文獻(xiàn)介紹，新開發(fā)的GaN襯底減薄技術(shù)可以在器件制造之后采用激光工藝進(jìn)行減薄，以最大幅度減少GaN襯底的消耗。實(shí)驗(yàn)表示，每100毫米厚的GaN襯底可以制作一個(gè)器件層，而以前每個(gè)400 mm厚的GaN基板只能獲得一個(gè)器件層，相比之下減少了300%的損耗。值得一提的是，所消耗的GaN襯底的量將僅為切片器件層的厚度，并可以通過拋光去除以重新使用。換句話說，使用該新技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)GaN襯底0耗損！
Photographs of sample before and after laser process.
(a) As-fabricated on-wafer HEMTs.
(b) 5-mm-square HEMT chip of 50 mm thickness.
(c) 15-cm-square substrate of 350 mm thickness. a’, b’, c’ Schematics of cross-sectional structures of a, b, and c.
(d) Cross-sectional photographs of sliced samples. Device-side sample (one of those in b, upper) and substrate-side sample (c, lower).
另外，通過這種激光切片，無需開發(fā)與另一個(gè)基板粘合的方法，也無需考慮器件制造過程中粘合界面上的化學(xué)和熱效應(yīng)。
該技術(shù)已被證實(shí)即使在激光切片后，GaN-on-GaN HEMT仍可正常工作，并且切割后HEMT的靜電性能沒有顯著變化。這意味著即使在設(shè)備制造后也可以應(yīng)用激光切片工藝。同時(shí)，它也可以用作半導(dǎo)體工藝，用于制造厚度約為10mm的薄器件，且無需拋光GaN襯底。
(a) IDS–VDS and (b) IDS–VGS curves of HEMT before and after laser slicing.
(c) Optical microscopy image of measured device.
(a) I–V characteristics of 2DEG channel of various shapes.
(b) Schematic of each measurement.
(c) Optical microscopy image of measured device. The red dashed rectangle indicates the 2DEG channel region.
