氮化硼的机械转移

不同于蚀刻和激光剥离，机械方法分离GaN外延层和衬底既简单有快捷，并且可以实现较大尺寸

近日台湾NTT基础研究实验室的研究人员开发了一种氮化硼薄膜技术，这项技术使得机械方法将会取代目前在工艺线当中所使用的蚀刻及激光剥离的方法，用来分离GaN和蓝宝石衬底层。

这一研究小组已经证实了这种方法的可行性。首先在蓝宝石衬底上沉积六方氮化硼薄膜制作成模板，之后在模板上制作各种结构，包括：高电子迁移率的AlGaN/GaN结构、LED的多量子阱结构等。高质量的LED芯片，尺寸从5mm2到2cm2，都可以顺利的从晶片上用机械的方式剥离下来并转移到其他衬底上。

报道该项技术的通讯作者 Yasuyuki Kobayashi认为这种氮化硼基的机械剥离方法将会适用到LED和LEMT器件当中。他说：“我们已经证实可以在一对薄层薄膜上制成灵活性很强的氮化镓基LED，LED制造商们将会对此很感兴趣。我们的技术同样可以用来将AlGaN/GaN基的LEMT结构转移到任何高热导的材料上去，这对于饱受热效应困扰的晶体管制造商们来说无疑是一大利好的消息。”

NTT已经对这项技术提交了了多项核心专利申请，他们打算将该技术授权给其他芯片制造商。某家日本的实验室从2005年开始进行氮化硼的研究。氮化硼是一种可以用来制作深紫外器件的宽禁带半导体材料。2007年他们利用MOCVD方法制备出六方相的氮化硼单晶，2008年他们将这项技术扩展到在蓝宝石衬底上生长这种宽禁带的外延薄膜。

Kobayashi宣称他们找到了一种可以实现单步生长，无损伤实现大范围氮化镓基器件衬底转移的实验方法。氮化硼的MOCVD外延生长一直是一样富有挑战性的技术。他说：“氮化硼没有与之晶格匹配的衬底材料，哪怕只是在一定范围内匹配。”他说氮化硼薄膜的生长设备需要进行特殊设计，使之实现衬底温度达到1300℃到1500℃的高温，这是一个经过优化适合氮化硼生长的温度。

为了验证他们的实验结果，该研究小组在蓝宝石衬底上生长氮化硼外延层，之后在上边生长不同结构。他们发现在缓冲层和LED结构之间插入一层AlN层可以提升LED的表面形貌。如果直接在六方氮化硼上外延氮化镓就会形成粗糙的，具有不规则岛状表面的多晶结构。插入AlN层之后，氮化镓薄膜表面明显改善，形成层状的平整表面。在原子力显微镜下5μm x 5μm区域的均方根粗糙度仅为0.69nm。暗场透射电子显微镜下可以观察到AlN层的另外一个优点：AlN层会阻挡穿透位错，减少氮化镓外延层当中的穿透位错密度。而AlN层主要的位错类型为混合型位错，位错密度达到了8.6x109cm^-2。

他们在氮化硼模板上生长了一层25nm厚的Al_0.28Ga_0.72N层，验证了氮化镓器件的材料质量。当把一个2 cm²的器件从衬底上剥离下来之后，测量器件特性发现器件的二维电子气迁移率可以达到1100 cm²V^-1s^-1，方块载流子浓度达到1X10¹⁸ cm^-2。

NTT的工程师还在氮化硼模板上还制作了一种具有10对多量子阱的LED结构，并对比了具有低温AlN缓冲层的传统的LED器件结构。他们发现这种具有转移特性的LED结构在驱动电流从10mA到50mA范围变化下，具有和传统的LED可比拟甚至略高的电致发光特性。这其中的主要原因是由于背面的铟接触增加了反射率。

这两种LED结构的电致发光光谱宽度是比较接近的，这说明在衬底转移过程中有源区的材料质量没有发生变化。

研究小组还制作了一种电池供电的LED原型。LED的尺寸为2mm2 ，厚度为3.4μm。LED结构被整合在两个层状的薄膜层中，并且制作有T型的Pd/Au金属电极。然后再制作上ITO的接触层并进行热退火。这一器件具有紫-蓝光的发射极以及自由的源极。

研究小组目前以及接下来的研究内容包括：增加器件可剥离的面积区域，转移到更多的其他材料体系上后传统LED和晶体管器件的性能的提高。