GaN单晶衬底减薄新技术

氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体核心材料之一，具有高击穿场强、高饱和电子漂移速率、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优良物理特性，是制作光电子、电力电子和微电子的理想材料。

但是目前大多数GaN器件都是通过异质衬底外延获得，因此不可避免地会使器件的功能外延层存在由晶格和热失配引起的应力和相应的缺陷，从而影响器件的性能和可靠性。基于高质量GaN单晶上的同质外延就能够有效解决以上关键问题，其产品性能会明显优于在硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底上生长出的氮化镓外延片，内部缺陷密度仅为蓝宝石衬底外延片的千分之一，可以有效地降低LED的结温，让单位面积亮度提升10倍以上。

但是氮化镓单晶制备工艺难度很大，价格也十分昂贵，一片2英寸的氮化镓晶片，在国际市场上的售价高达5000美元，而且一片难求。GaN单晶衬底的缺乏已成为制约GaN器件发展的瓶颈。

因此，为了尽可能地减少昂贵的氮化镓单晶衬底的消耗，由名古屋大学和日本国家材料科学研究所等组成的研究团队做了相关研究，并于5月5日在《自然》期刊发表了一项GaN衬底减薄新技术——激光减薄技术。

据介绍，该技术可以将氮化镓衬底产能提升3倍，同时可以省去衬底抛光工艺，因此有助于帮助降低氮化镓单晶器件制造成本，该技术也有望应用于碳化硅单晶切割。

Schematic of device fabrication process with reusable substrates.

其实，该新技术和传统的Smart Cut™技术有相似之处，Smart Cut™技术采用的是离子注入法切割，可切割出亚微米厚度的非常薄的GaN层。但激光切割技术很难切出如此薄的GaN层，因为GaN在激光切割过程中会被分解。为此，该团队开创了背面激光照射法来剥离器件层。

根据文献介绍，新开发的GaN衬底减薄技术可以在器件制造之后采用激光工艺进行减薄，以最大幅度减少GaN衬底的消耗。实验表示，每100毫米厚的GaN衬底可以制作一个器件层，而以前每个400 mm厚的GaN基板只能获得一个器件层，相比之下减少了300%的损耗。值得一提的是，所消耗的GaN衬底的量将仅为切片器件层的厚度，并可以通过抛光去除以重新使用。换句话说，使用该新技术有望实现GaN衬底0耗损！

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，通过这种激光切片，无需开发与另一个基板粘合的方法，也无需考虑器件制造过程中粘合界面上的化学和热效应。

该技术已被证实即使在激光切片后，GaN-on-GaN HEMT仍可正常工作，并且切割后HEMT的静电性能没有显着变化。这意味着即使在设备制造后也可以应用激光切片工艺。同时，它也可以用作半导体工艺，用于制造厚度约为10mm的薄器件，且无需抛光GaN衬底。

(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.