在半導體照明與光電子領域，氮化鎵（GaN）基發(fā)光二極管（LED）憑借其卓越性能，長期占據(jù)研究焦點位置。它廣泛應用于照明、顯示、通信等諸多關鍵領域。在6英寸藍寶石基板上，基于六方氮化硼（h-BN）模板的GaN基LED的生長、制造及器件轉移工藝的成功研發(fā)，有效解決了大尺寸基板上相關材料生長和器件制備過程中的分層、晶圓翹曲等關鍵問題。美能顯示作為專注顯示行業(yè)精密高效檢測設備研發(fā)的企業(yè)，將持續(xù)關注核心材料的最新應用及動態(tài)，拓展其在更多領域的應用，推動整個行業(yè)邁向新的發(fā)展階段。

范德華外延技術的發(fā)展與挑戰(zhàn)

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近十年，范德華外延（vdW）技術在III族氮化物領域發(fā)展迅速。其3D/2D生長模式借助弱范德華力，實現(xiàn)晶格與熱失配引起的應變彈性弛豫，有效減少位錯與缺陷生成，為緩沖層設計和器件制備提供了更大自由度，同時支持異質(zhì)結構的大面積機械分離與靈活轉移。

基于范德華外延的GaN（氮化鎵）薄膜轉移工藝流程圖

作為理想二維襯底，六方氮化硼(h-BN)憑借優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性、與MOCVD等主流生長工藝的兼容性，以及在多種基板上的適配能力，成為III族氮化物異質(zhì)結構的核心載體。

然而，大規(guī)模生產(chǎn)中仍面臨關鍵挑戰(zhàn)：大尺寸基板與h-BN層間的弱范德華結合力難以承受熱膨脹應力，導致生長或冷卻過程中易發(fā)生自發(fā)分層；當工藝擴展至6英寸晶圓時，高溫下基板翹曲會引發(fā)晶圓表面溫度不均，造成薄膜質(zhì)量波動、器件性能一致性下降，甚至導致InGaN/GaN多量子阱中銦含量不均，引發(fā)發(fā)射波長漂移。

目前，完整6英寸及更大尺寸晶圓上的h-BN生長及后續(xù)vdW外延工藝尚未有公開報道，相關技術突破需聚焦于生長條件優(yōu)化與設備改進。

20nmh-BN在6英寸藍寶石基板上的生長及相關特性圖

6英寸藍寶石基板上的技術突破

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本研究中，科研團隊利用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術，在6英寸藍寶石基板上成功實現(xiàn)了2Dh-BN的生長以及GaN基LED異質(zhì)結構的范德華外延。

GaN基LED異質(zhì)結構在h-BN/6英寸藍寶石基板上的生長情況

在2Dh-BN生長方面，生長的20nmh-BN層均勻透明、無分層現(xiàn)象。通過HR-XRD、SEM、AFM和拉曼光譜等表征手段分析，其晶體結構、形貌與2英寸基板上生長的h-BN相似，且可作為GaN基LED異質(zhì)結構的釋放層，為后續(xù)器件分離和轉移奠定基礎。

對于GaN基LED異質(zhì)結構生長，研究團隊針對分層問題，優(yōu)化生長腔3區(qū)加熱器控制溫度均勻性，降低升溫速率以減小不同層生長溫度變化斜率，在氣體切換時通過逐步注入混合氣體控制表面溫度，實現(xiàn)了無分層的高質(zhì)量異質(zhì)結構生長。據(jù)HR-XRD和PL光譜分析（圖d）表明，生長的LED異質(zhì)結構結晶質(zhì)量良好，發(fā)射波長均勻，晶圓翹曲度降低。

器件性能與轉移技術

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基于生長的異質(zhì)結構制備的LED器件呈現(xiàn)出良好的整流特性，閾值電壓約4.5V，盡管受p-GaN和n-GaN層結晶質(zhì)量影響，正向電壓較高，但器件電致發(fā)光峰值波長為437nm，與之前的光致發(fā)光測量結果相符，且隨著注入電流增加，電致發(fā)光強度增強。

在h-BN/6英寸藍寶石基板上生長的GaN基LED

器件的加工過程及光學、電學特性圖

在器件轉移方面，研究團隊采用自剝離轉移工藝（SLOT），將LED異質(zhì)結構從6英寸藍寶石基板轉移到柔性銅載體上，制備出垂直LED結構。這種轉移技術拓展了LED器件在不同電子系統(tǒng)中的應用范圍。

自剝離轉移工藝（SLOT）的不同步驟圖

研究意義與未來展望

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此次研究成功實現(xiàn)了6英寸藍寶石基板上基于h-BN模板的vdW外延和藍光LED器件的制造、剝離與轉移，為GaN基LED在h-BN/sapphire上的商業(yè)化生產(chǎn)提供了有力支持。研究中避免分層的方法有望應用于8英寸、10英寸、12英寸及更大尺寸的基板，適應藍寶石基板生產(chǎn)的規(guī)?；枨?。

美能顯示專注檢測顯示設備領域，持續(xù)深耕檢測技術，全力提升光學檢測、圖像識別處理等核心檢測技術水平，拓展業(yè)務覆蓋范疇。在活力充沛的GaN基LED顯示檢測市場中，將充分發(fā)揮檢測技術與設備優(yōu)勢，推動檢測技術創(chuàng)新應用，為半導體光電子產(chǎn)業(yè)的質(zhì)量把控與發(fā)展提供有力支撐，助力產(chǎn)業(yè)在檢測環(huán)節(jié)實現(xiàn)技術升級與高效發(fā)展。

原文出處:《Scaling up of Growth, Fabrication, and Device Transfer Process for GaN-based LEDs on H-BN Templates to 6-inch Sapphire Substrates》

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