用于自支撑GaN的激光辅助分离技术

图1：籽晶示意图。（a）图案A：通过MOCVD生长的c面GaN/蓝宝石，未采用激光辅助分离技术；（b）图案B：整个表面都采用激光辅助分离技术；（c）图案C：部分采用激光辅助分离技术；（d）图案C的细节。

长晶过程中，需将样品置于直径19mm的氧化铝坩埚。再将坩埚放入装有Ga、Na、碳且充满氩气的手套箱中。对手套箱抽真空后，以1MPa的压力通入氮气。再将温度升至870°C，氮气压力升至4MPa。生长过程持续24小时，最终形成约500μm厚的GaN层。

未图案化的籽晶（样品A）导致GaN和蓝宝石材料均开裂。采用激光辅助分离技术进行简单图案化的样品B中，GaN未开裂，但蓝宝石衬底开裂了。部分采用激光辅助分离技术进行较复杂图案化的样品C中，蓝宝石和GaN均未开裂。此外，只有样品C产出了分离的自支撑GaN。

衍射峰移X射线分析用于评估样品的曲率半径（见表）。样品C的曲率半径大得多，表明样品C要平坦得多。

表格：图案A、图案B、图案C分别沿a轴和m轴在籽晶上生长的GaN晶体的曲率半径

研究人员评论道：“一般来说，众所周知GaN/蓝宝石衬底会呈凸形弯曲，因为蓝宝石的热膨胀系数大于GaN。生长出的晶体呈凸形，表明它在冷却过程中仍受到蓝宝石的应力作用。特别是，图案B籽晶上生长的晶体与未加工GaN/蓝宝石上生长的晶体具有相同的曲率，而且都出现了裂纹，表明图案B不会促进GaN的分离。此外，我们还观察到，与图案B相比，图案C更容易分离GaN，因为图案C利用其晶格图案，将部分GaN完全分解，而在图案B中，激光辐照不会使GaN立即从整个表面分离。”

曲率受GaN和蓝宝石之间有效接触面积的影响，根据这一理论，研究人员尝试在简单图案样品B上提高所用激光辅助分离技术的激光强度来减少接触面积。不幸的是，长晶之前，籽晶层就与蓝宝石分离了。因此，研究人员倾向于将激光辅助分离工艺用于图案C样品，其中部分GaN完全分解成晶格图案。

阴极发光（电子束激发）用于评估长成GaN的位错密度，前提是所有样品的位错密度都约为10⁶/cm²。相比之下，GaN籽晶层的位错密度更高，为10⁸/cm²，此为MOCVD的典型值。

研究小组将激光辅助分离法与多点籽晶法相结合，其中籽晶层由直径250μm的圆形GaN点状籽晶区组成，呈六边形阵列，间隔为550μm。不采用激光辅助分离法的情况下，当晶体生长到600μm时，多点籽晶法会导致GaN和蓝宝石材料开裂（图2）。使用带有多点籽晶区，且经激光辅助分离法处理的衬底后，开裂现象消失了。