在半導(dǎo)體照明與光電子領(lǐng)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(diǎn)位置。它廣泛應(yīng)用于照明、顯示、通信等諸多關(guān)鍵領(lǐng)域。在6英寸藍(lán)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(zhuǎn)移工藝的成功研發(fā)，有效解決了大尺寸基板上相關(guān)材料生長和器件制備過程中的分層、晶圓翹曲等關(guān)鍵問題。美能顯示作為專注顯示行業(yè)精密高效檢測(cè)設(shè)備研發(fā)的企業(yè)，將持續(xù)關(guān)注核心材料的最新應(yīng)用及動(dòng)態(tài)，拓展其在更多領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)整個(gè)行業(yè)邁向新的發(fā)展階段。

范德華外延技術(shù)的發(fā)展與挑戰(zhàn)

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近十年，范德華外延（vdW）技術(shù)在III族氮化物領(lǐng)域發(fā)展迅速。其3D/2D生長模式借助弱范德華力，實(shí)現(xiàn)晶格與熱失配引起的應(yīng)變彈性弛豫，有效減少位錯(cuò)與缺陷生成，為緩沖層設(shè)計(jì)和器件制備提供了更大自由度，同時(shí)支持異質(zhì)結(jié)構(gòu)的大面積機(jī)械分離與靈活轉(zhuǎn)移。

基于范德華外延的GaN（氮化鎵）薄膜轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的核心載體。

然而，大規(guī)模生產(chǎn)中仍面臨關(guān)鍵挑戰(zhàn)：大尺寸基板與h-BN層間的弱范德華結(jié)合力難以承受熱膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致生長或冷卻過程中易發(fā)生自發(fā)分層；當(dāng)工藝擴(kuò)展至6英寸晶圓時(shí)，高溫下基板翹曲會(huì)引發(fā)晶圓表面溫度不均，造成薄膜質(zhì)量波動(dòng)、器件性能一致性下降，甚至導(dǎo)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(bào)道，相關(guān)技術(shù)突破需聚焦于生長條件優(yōu)化與設(shè)備改進(jìn)。

20nmh-BN在6英寸藍(lán)寶石基板上的生長及相關(guān)特性圖

6英寸藍(lán)寶石基板上的技術(shù)突破

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本研究中，科研團(tuán)隊(duì)利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)，在6英寸藍(lán)寶石基板上成功實(shí)現(xiàn)了2Dh-BN的生長以及GaN基LED異質(zhì)結(jié)構(gòu)的范德華外延。

GaN基LED異質(zhì)結(jié)構(gòu)在h-BN/6英寸藍(lán)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(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)的釋放層，為后續(xù)器件分離和轉(zhuǎn)移奠定基礎(chǔ)。

對(duì)于GaN基LED異質(zhì)結(jié)構(gòu)生長，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)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(shí)通過逐步注入混合氣體控制表面溫度，實(shí)現(xiàn)了無分層的高質(zhì)量異質(zhì)結(jié)構(gòu)生長。據(jù)HR-XRD和PL光譜分析（圖d）表明，生長的LED異質(zhì)結(jié)構(gòu)結(jié)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(zhuǎn)移技術(shù)

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基于生長的異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(jié)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(cè)量結(jié)果相符，且隨著注入電流增加，電致發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)。

在h-BN/6英寸藍(lán)寶石基板上生長的GaN基LED

器件的加工過程及光學(xué)、電學(xué)特性圖

在器件轉(zhuǎn)移方面，研究團(tuán)隊(duì)采用自剝離轉(zhuǎn)移工藝（SLOT），將LED異質(zhì)結(jié)構(gòu)從6英寸藍(lán)寶石基板轉(zhuǎn)移到柔性銅載體上，制備出垂直LED結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)移技術(shù)拓展了LED器件在不同電子系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍。

自剝離轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)了6英寸藍(lán)寶石基板上基于h-BN模板的vdW外延和藍(lán)光LED器件的制造、剝離與轉(zhuǎn)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(yīng)用于8英寸、10英寸、12英寸及更大尺寸的基板，適應(yīng)藍(lán)寶石基板生產(chǎn)的規(guī)?；枨蟆?/span>

美能顯示專注檢測(cè)顯示設(shè)備領(lǐng)域，持續(xù)深耕檢測(cè)技術(shù)，全力提升光學(xué)檢測(cè)、圖像識(shí)別處理等核心檢測(cè)技術(shù)水平，拓展業(yè)務(wù)覆蓋范疇。在活力充沛的GaN基LED顯示檢測(cè)市場(chǎng)中，將充分發(fā)揮檢測(cè)技術(shù)與設(shè)備優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)檢測(cè)技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用，為半導(dǎo)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(cè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級(jí)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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