氮化鎵(GaN)作為第三代寬禁帶半導體核心材料之一，具有高擊穿場強、高飽和電子漂移速率、抗輻射能力強和良好的化學穩定性等優良物理特性，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GaN器件都是通過異質襯底外延獲得，因此不可避免地會使器件的功能外延層存在由晶格和熱失配引起的應力和相應的缺陷，從而影響器件的性能和可靠性。基于高質量GaN單晶上的同質外延就能夠有效解決以上關鍵問題，其產品性能會明顯優于在硅襯底、藍寶石襯底、碳化硅襯底上生長出的氮化鎵外延片，內部缺陷密度僅為藍寶石襯底外延片的千分之一，可以有效地降低LED的結溫，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，價格也十分昂貴，一片2英寸的氮化鎵晶片，在國際市場上的售價高達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，由名古屋大學和日本國家材料科學研究所等組成的研究團隊做了相關研究，并于5月5日在《自然》期刊發表了一項GaN襯底減薄新技術——激光減薄技術。 

據介紹，該技術可以將氮化鎵襯底產能提升3倍，同時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，該技術也有望應用于碳化硅單晶切割。

 

 

Schematic of device fabrication process with reusable substrates.

 

其實，該新技術和傳統的Smart Cut™技術有相似之處，Smart Cut™技術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。但激光切割技術很難切出如此薄的GaN層，因為GaN在激光切割過程中會被分解。為此，該團隊開創了背面激光照射法來剝離器件層。

 

根據文獻介紹，新開發的GaN襯底減薄技術可以在器件制造之后采用激光工藝進行減薄，以最大幅度減少GaN襯底的消耗。實驗表示，每100毫米厚的GaN襯底可以制作一個器件層，而以前每個400 mm厚的GaN基板只能獲得一個器件層，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，使用該新技術有望實現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，無需開發與另一個基板粘合的方法，也無需考慮器件制造過程中粘合界面上的化學和熱效應。

 

該技術已被證實即使在激光切片后，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。這意味著即使在設備制造后也可以應用激光切片工藝。同時，它也可以用作半導體工藝，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.