Процесс Lift-off в светодиодах на основе нитрида галлия

Фотопоглощение в активной среде лазеров на галогенидах инертных газов можно разделить на линейчатое и широкополосное. Линейчатое поглощение возникает на связанно-связанных переходах, присутствующих в лазерной смеси примесей атомарных и молекулярных газов, а также свободных атомов и радикалов, образующихся под действием разряда либо при разложении примесных молекул, либо за счет эрозии электронов. Показано, что линейчатое поглощение в некоторых случаях может довольно существенно искажать спектр генерации, однако, как правило, не приводит к заметному снижению ее энергии. Широкополосное поглощение обусловлено, главным образом, связанно-свободными переходами, происходящими в процессах типа фотодиссоциации, фотоотлипания и фотоионизации.

Эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов обычно накачиваются электрическим разрядом.

Эффективная накачка эксимерных лазеров, т.е. создание разряда оптимального с точки зрения вклада энергии в активную среду, еще не гарантирует получения высоких генерационных характеристик лазера. Не менее важно организовать извлечение из активной среды запасенной в ней световой энергии.

Это приобретает особое значение для лазеров на галогенидах инертных газов, так как их существенным отличием от большинства типов газовых лазеров оказывается наличие ненасыщающегося (линейного) фотопоглощения в активной среде. [14]

9. Экспериментальная часть

В ходе прохождения преддипломной практики и последующего написания ВКР для работы был выбран эксимерный лазер на молекулах KrF из-за подходящей длины волны (248нм) и относительно низкой когерентности излучения. Сапфир, благодаря широкой запрещённой зоне способен пропускать УФ излучение до, приблизительно, 180нм, а нитрид галлия начинает хорошо поглощать излучение с длиной волны 350нм и короче.

Ещё одна причина выбора эксимерного лазера, а, например, не четвертой или третьей гармоники неодимового лазера - это более низкая когерентность излучения эксимерного лазера. В оптической системе установки были использованы две микролинзовые ячейки для гомогенизации пучка. После прохождения первой ячейки лазерный пучок разбивался на несколько более тонких, каждый из которых собирается в своём фокусе. При наличии высокой когерентности излучения интерференция отдельных пучков может значительно изменить распределение интенсивности. То есть, вместо равномерного распределения получим площадку с множеством пиков и провалов интенсивности.

Для осуществления возможности сканирования вэйфера с кристаллом GaN была применена технология «летающего стола». Стол может перемещаться в четырёх координатах: в горизонтальной и вертикальной областях, а так же способен вращаться. Это позволяет точно настроить начальное положение детали.

Помимо выбора лазера, немаловажную роль играют компоненты оптических схем. На рис. 12 показана оптическая схема для системы Lift-off.

Рис. 12 Принципиальная схема установки

9.1 Описание процесса laser lift-off для тонкого слоя GaN

Тонкие кристаллы GaN, с которыми проводился эксперимент, выращены по MOCVD технологии на сапфировой [Al2O3 (0001)] подложке. Для роста GaN используются триметил галлия (TMGa) и аммиак (NH3). Выращенные буферные слои GaN формируются при более низкой температуре, в отличии от остальных слоёв, которые обычно растут при 1000 °C.

В этом исследовании критическое значение напряжения в кристалле GaN, которое позволит отделить подложку без повреждений, полученное из несоответствия коэффициента температурного линейного расширения между GaN и сапфиром.

Поток лазерного излучения оптимизирован так, чтобы достигнуть разделения без любых трещин и повреждений кристалла. Кристалл GaN характеризуется XRD (x-ray difraction) и фотолюминесценцией, что делает возможным наблюдать изменение констант решетки и запрещенных зон до и после lift-off.

9.2 Механические напряжения в GaN на сапфире

После laser lift-off уменьшено напряжение в кристалле на сапфировой подложке. Чтобы отделять более тонкие кристаллы GaN, необходимо оценить напряжения перед экспериментом. Их можно вычислить из несоответствия коэффициентов температурного расширения между GaN и сапфиром. Впервые данная модель была создана для полупроводниковых приборов на основе GaAs. При использовании этой модели было вычислено распределение напряжений в GaN слое разной толщины на сапфире (рис. 13).

Рис. 13 Расчётное распределение напряжений на границе GaN и сапфира в зависимости от толщины слоя GaN

Предполагается, что температура роста - 1100 °C, площадь вэйфера - 4.47 cм2, что соответствует диаметру 2 дюйма. Максимальное сжимающее напряжение наблюдается в GaN, в то время как максимальное растягивающее напряжение находится в сапфире. Также замечено, что сжимающее напряжение в GaN увеличивается при уменьшении его толщины, как показано на рис. 14. Это подразумевает, что отстрел GaN от сапфира является более сложным процессом для более тонкого кристалла GaN, потому что в нём больше механических напряжений, и кристалл менее прочен, чтобы выдержать давление N2 при laser lift-off процессе.

Рис. 14 Расчетное распределение напряжений на нижней поверхности GaN и изгиб вэйфера, построенные в зависимости от толщины GaN

9.3 Отстрел тонкого GaN техникой laser lift-off

Отмечено, что изгиб вэйфера уменьшается из-за формирования металлического Ga на границе нитрида галлия и сапфира под действием мощного лазерного импульса. Использовался вэйфер - GaN толщиной 5мкм. Было выяснено, что оптимальной является энергия импулься лазера 640 мДж/cм2. Увеличение энергии приводит к разрушению кристалла, вызванному избыточным давлением N2, образовавшегося на границе, в то время как недостаток энергии приводит к неполному отрыву GaN от подложки.

Рис. 15 Морфология поверхности GaN после лазерного облучения толщиной: (а) 2мкм GaN, (б) 4мкм GaN и (с) 5мкм GaN

Влияние толщины GaN на процесс laser lift-off (от 2мкм до 5 мкм) показано на рис. 10. Кристаллы GaN толщиной больше чем 4 мкм могут быть отделены без возникновения трещин, в то время как кристалл GaN 2мкм толщиной почти полностью исчезал. Черная область на рис. 15 (a) соответствует области, где кристалл полностью отсутствует в результате появления трещин во время или после процесса laser lift-off.

Рис. 16 Изображение поперечного сечения границы после лазерного облучения кристалла GaN на сапфире

Граница GaN и сапфира после процесса lift-off показана на рис. 16. При этом выяснено, что никакие кристаллические дефекты после процесса lift-off не образуются. Толщина разложившегося слоя GaN составила около 200нм.

Немаловажным является то, что лазерная обработка уменьшает изгиб вэйфера. Искривления вэйфера были измерены для площади приблизительно 1см2 (Рис.17).

Значение измеренной кривизны получено около 0.1м-1 после лазерного облучения, которое сильно уменьшило первоначальное значение 0.3м-1. На рис. 17 показаны результаты оптических измерений интерференционным методом. Изменение радиуса колец Ньютона хорошо демонстрирует уменьшение радиуса кривизны вэйфера. Принимая во внимание несоответствие КТЛР между GaN и сапфиром в вышеупомянутой модели, искривление вэйфера должно быть порядка 0.26м-1, что является близким к результатам измерения. Это подтверждает, что искривление вызвано главным образом несоответствием КТЛР (температурный коэффициент линейного расширения) GaN и сапфира, и что большая часть механических напряжений находится именно на границе кристалла и подложки.

Рис. 17 Изменение кривизны пластины до и после laser lift-off обработки.

9.4 Снятие напряжения в GaN после laser lift-off

Снятие напряжения после lift-off, должно изменить запрещенную зону GaN. На рис. 18 показаны спектры, измеренные при температуре 77К до и после laser lift-off. Максимальная ширина запрещённой зоны уменьшилась на 13.6 мэВ при 77К после снятия механических напряжений. Кроме того, постоянная решётки, измеренная методом XRD, уменьшилась, как показано на рис. 19. Постоянная решётки по оси с уменьшилась с 5.1878 Е до 5.1850 Е после laser lift-off.

Рис. 18 Измерение спектра люминесценции GaN до и после laser lift-off обработки

Рис. 19 XRD структура GaN до и после laser lift-off обработки

Параметры напряжения еxx, еyy и еzz вдоль соответствующих осей могут быть рассчитаны как:

где c - постоянная не деформированной решётки вдоль c-оси, и c' решётки с напряжениями соответственно. C13 и C33 - упругие константы, которые имеют значения 103 и 405 ГПа для GaN соответственно.

Изменение энергии запрещенной зоны A-экситона нитрида галлия, ДE может быть вычислено как:

где Dn (n = 1; 2; 3; 4) - потенциал деформации, значения которого приведены в Таблице 2. Используя экспериментальные данные при снятии напряжений решетки, измеренные методом XRD, еzz имеет значение 0.054 %, а еxx и еyy 0,106 %. Эти данные и уравнения (5) - (7) говорят о том, что изменение энергии запрещённой зоны при комнатной температуре должно быть 10.6 мэВ.

Таблица 2 Значения потенциала упругой деформации

Заключение

В результате выполнения выпускной квалификационной работы были изучены свойства и технологии роста кристаллов GaN, возможности применения их в современной микроэлектронике и светодиодах в частности. Был проведён анализ недостатков современных светодиодов на основе GaN на сапфировой подложке, и оценены возможные пути их устранения. Наиболее подходящим способом решения проблем светодиодов стал процесс laser lift-off.

Для процесса lift-off был выбран эксимерный лазер на молекулах KrF из-за подходящей длины волны и низкой пространственной когерентности.

В ходе экспериментов были подобраны оптимальные параметры лазерного излучения, а именно плотность энергии на границе раздела GaN и сапфира, которая равна приблизительно 640 Дж/см2. Были изучены процесс лазерной абляции и механизмы отрыва нитрида галлия от подложки. Так же были проведены исследования характеристик кристаллов до и после laser lift-off.

Выяснено, что основной причиной дефектов и повышения процента безизлучательной рекомбинации являются механические напряжения в кристалле. Так же было исследовано влияние механических напряжений на зонную структуру GaN. Оказалось, что напряжения внутри кристалла увеличивают ширину запрещённой зоны на 10,6мэВ, если сравнивать результаты до и после отстрела. Это значение соответствует смещению спектра в длинноволновую область приблизительно на 1,1нм, что практически ни как не скажется на области и возможностях применения GaN-светодиодов.

На данный момент технология ещё не отработана до конца ввиду ряда сложностей, связанных с производством кристаллов. Как видно на рис. 20, в результате внутренних напряжений в GaN светодиодная матрица, пересаженная на медную токопроводящую подложку, изгибается. В результате идёт смещение образца от первоначального положения, что ведёт к браку.

Рис. 20 Брак при удалении сапфировой подложки

Однако, результаты уже есть. Матрицы без нанесённого медного слоя отстреливаются без повреждений светодиода, но с технологической точки зрения это не целесообразно.

Список литературы

1. Туркин А. Н. Нитрид галлия как один из перспективных материалов в современной оптоэлектронике // компоненты и технологии. 2011. №5.

2. И. А. Случинская - Основы материаловедения и технологии полупроводников, Москва -- 2002, 189с.

3. Юнович А. Э. Светодиоды на основе гетероструктур из нитрида галлия и его твердых растворов // Светотехника. 1996. Вып. 5, 6.

4. Akasaki I., Amano H., Itoh K., Koide N., Manabe K. GaN based UV/blue light-emitting devices // GaAs and Related Compounds conference. 1992.

5. Nakamura S., Senoh M., Mukai T. Highly p-type Mg doped GaN filmagrown with GaN buffer layers // Jpn. J. Appl. Phys. 1993.

6. http://journals.ioffe.ru/jtf/

7. http://jap.aip.org/

8. Levinshtein M.E., Rumyantsev S.L.., Shur M.S. // Properties of advanced semiconductor materials: GaN, AlN, InN. Wiley - Interscience 2001. V. 9. 216 p.

9. Делоне Н.Б. - взаимодействие лазерного излучения с веществом: Курс лекций. М.: Наука. Гл.ред.физ.-мат. лит., 1989. - 280 с.

10. Kelly R., Miotello A. A new approach to thermal-spike sputtering with ions and laser pulses // Mat. Sci. Eng. A. - 1998. - V. 253. - P. 178-193.

11. Kelly M.K., Ambacher O., Dahlheimer B., Gross G., Dimitrov R., Angerer H., Strutzmann M. - Optical patterning of GaN films // Appl. Phys. Lett., 1996, Vol. 69, pp. 1749-1751.

12. Сейсян Р.П., Ермакова А.В., Калитеевская Н.А., Марков Л.К., Рымалис М.Р. - Абляция тонких эпитаксиальных плёнок GaN под действием импульсного излучения KrF эксимерного лазера // Письма в ЖТФ, 2007, т.62, вып. 3, стр 106.

13. Л.В. Жигилей, Э. Левегль, Д.С. Иванов, Ж. Лин, А.Н. Волков - Моделирование короткоимпульсной лазерной абляции методом молекулярной динамики: механизмы эжекции металла и формирования наночастиц. Изд. «ИТ СО РАН» 2009, 147с. - 220с.

14. Эксимерные лазеры, под ред. Ч. Роудза, пер. с англ., M., 1981; ЕлецкийА. В.. Смирнов Б. M., Физические процессы в газовых лазерах, M.. 1985. А. В. Елецкий.

Размещено на Allbest.ru