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在過去的十年中，GaN基底的高亮度白光LED以其良好的性價(jià)比越來越引起人們的關(guān)注^[1]。各個(gè)廠商競相研發(fā)新的LED結(jié)構(gòu)形式來提高其發(fā)光效率，以此增加LED芯片的發(fā)光度，從而降低LED芯片的單位發(fā)光成本。這些技術(shù)的發(fā)展以及高亮LED芯片自身的特點(diǎn)，極大地增加了全固態(tài)照明的應(yīng)用范圍，其在自動(dòng)化照明、背光顯示技術(shù)以及傳統(tǒng)照明方面顯示了蓬勃發(fā)展的局面。荷蘭的A44高速公路已經(jīng)成為世界上第一條采用LED照明的高速公路（見圖1）。

           圖1：荷蘭A44高速公路，是第一條采用LED照明的高速公路。

 

 

 基底剝離的垂直結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更高亮度輸出

 

傳統(tǒng)方式采用兩種方法設(shè)計(jì)LED芯片，即平面結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)（見圖2）。芯片結(jié)構(gòu)的選擇很大程度上依賴于材料的特性。

圖2：LED芯片的平面結(jié)構(gòu)圖和垂直結(jié)構(gòu)圖。

 

    藍(lán)寶石晶體由于其低廉的成本以及良好的晶格匹配度而被廣泛用于GaN發(fā)光材料的襯底生長。但是，藍(lán)寶石同時(shí)是一種優(yōu)異的絕緣材料，因此，對(duì)于P結(jié)和N結(jié)的接觸電極，只能放置在LED芯片的正面同一側(cè)，如圖2中左圖所示。如果采用導(dǎo)電材料（如銅、硅或碳化硅）來代替藍(lán)寶石襯底，就可以采用正面和背面同時(shí)接觸的垂直結(jié)構(gòu)。

但是這樣做也存在一定的困難。藍(lán)寶石內(nèi)在的優(yōu)異特征能夠促進(jìn)LED發(fā)光材料的完美生長，藍(lán)寶石對(duì)于生長LED芯片最佳襯底材料不可或缺。因此，要實(shí)現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)，就要在生長完后再去剝離藍(lán)寶石基底^[2]。

垂直結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于有效擴(kuò)大了發(fā)光多重量子井的有效面積，從而避免了從P結(jié)到N結(jié)的電流瓶頸效應(yīng)。更為重要的是，垂直結(jié)構(gòu)對(duì)于基底的散熱有著巨大優(yōu)勢。

采用激光剝離系統(tǒng)剝離藍(lán)寶石基底

垂直結(jié)構(gòu)的制備如圖3所示，首先在藍(lán)寶石基底上外延生長出GaN發(fā)光層，然后在P結(jié)層一側(cè)粘合上一層熱傳導(dǎo)良好的轉(zhuǎn)移襯底，該襯底要求具有良好的導(dǎo)電性和散熱性，通常采用硅或是特殊的合金；然后再采用激光剝離技術(shù)將藍(lán)寶石襯底從芯片上剝離。

由于GaN發(fā)光層通常只有幾個(gè)微米厚，采用化學(xué)刻蝕或機(jī)械研磨的手段來剝離藍(lán)寶石襯底，很容易損傷到GaN發(fā)光層，這不利于垂直結(jié)構(gòu)的制備。相比之下，激光剝離技術(shù)是一種非接觸式技術(shù)，它可以實(shí)現(xiàn)選擇性剝離襯底而不會(huì)對(duì)發(fā)光層材料造成損傷。

 

圖3：典型的垂直結(jié)構(gòu)LED芯片制備流程。

 

   在激光剝離過程中，LED芯片直接受到高能量密度的紫外激光脈沖的照射，由于藍(lán)寶石基底帶隙很高，相對(duì)于248nm激光而言是透明的，所以激光脈沖會(huì)透過藍(lán)寶石基底打到GaN層，而GaN和藍(lán)寶石的連接層處（約2nm）會(huì)強(qiáng)烈吸收紫外激光能量，在激光能量密度為800~900J/cm²時(shí)，接觸層的局部區(qū)域溫度可以達(dá)到大約1000℃，導(dǎo)致連接層的材料產(chǎn)生氣化，從而使藍(lán)寶石襯底與GaN芯片安全分離^[3]。

 

248nm激光剝離工藝

激光剝離采用高能量的248nm脈沖準(zhǔn)分子激光器，根據(jù)脈沖激光方形光斑大小，將整個(gè)芯片分成若干個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域采用單脈沖照射，通過電機(jī)平臺(tái)的移動(dòng)，逐個(gè)掃描實(shí)現(xiàn)整個(gè)芯片的基底剝離。方形光斑的邊緣重疊部分可以設(shè)置在芯片單元之間的通道上，從而可以忽略其副作用。對(duì)于激光剝離系統(tǒng)而言，為了能夠精確地控制剝離進(jìn)程，達(dá)到良好的剝離效果，要求激光器必須具有良好的脈沖能量穩(wěn)定性，其能量波動(dòng)要控制在1%（RMS）左右。

激光剝離需要激光能量密度大于800mJ/cm²，而大尺寸的LED芯片通常其單個(gè)的芯片單元都在幾個(gè)平方毫米大小，這就意味著剝離使用的準(zhǔn)分子激光器需要提供的單脈沖能量通常在500mJ以上。這對(duì)于采用獨(dú)立設(shè)計(jì)的準(zhǔn)分子激光器而言是比較容易實(shí)現(xiàn)的，如美國相干公司的LEAP系列準(zhǔn)分子激光器（如圖4）。通常這類激光器提供的脈沖能量很高，可以實(shí)行單個(gè)脈沖同時(shí)剝離多個(gè)芯片單元。

  

圖4：LEAP系列準(zhǔn)分子激光器及其光束傳輸結(jié)構(gòu)。

 

激光剝離工藝中一個(gè)最為關(guān)鍵的問題在于準(zhǔn)分子激光器提供的激光脈沖光斑的均勻性。準(zhǔn)分子激光器本身具有較大的發(fā)光截面以及較低的光束相干性，因此適于采用高性能的紫外光學(xué)元件進(jìn)行整形。采用柱狀透鏡組制備的光束整形鏡，將激光光束沿光軸方向進(jìn)行勻化，再加上準(zhǔn)分子激光器本身光束的相干性比較低，因此整形效果非常好。通過激光整形后，可以實(shí)現(xiàn)能量分布均勻、光斑邊緣清晰的大尺寸激光光斑，非常適合用于高效快捷的激光剝離工藝。采用這種光源，對(duì)于6英寸的晶元，可以實(shí)現(xiàn)50片/小時(shí)的剝離速度。同時(shí)這種高功率的準(zhǔn)分子激光器除了氣瓶的更換外，基本不需要任何維護(hù)，更換氣瓶也只需要幾分鐘的時(shí)間。因此，低廉的維護(hù)成本以及極小的故障時(shí)間，是準(zhǔn)分子激光器相對(duì)于其他固態(tài)激光器而言最大的優(yōu)勢^[4]。

 

結(jié)論

高亮LED開始在諸多領(lǐng)域內(nèi)與傳統(tǒng)光源相競爭。從技術(shù)層面看，傳統(tǒng)的光源市場更需要亮度超過150流明/瓦的單片高亮度LED芯片。與平面結(jié)構(gòu)產(chǎn)品相比，垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片具有更大優(yōu)勢，如更高的電流注入效率、更強(qiáng)的散熱能力以及更好的阻抗。

而采用準(zhǔn)分子激光剝離設(shè)備去除藍(lán)寶石則是一種有效的工藝手段，在新一代高亮LED芯片的制備中，將會(huì)成為不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。

248nm準(zhǔn)分子激光器技術(shù)的發(fā)展，使得激光輸出脈沖能量可以達(dá)到1J以上。原有的激光剝離技術(shù)需要使用500mJ的激光脈沖，一個(gè)6英寸的晶片需要1500個(gè)脈沖才能夠完全剝離。而現(xiàn)在使用50Hz重復(fù)頻率的準(zhǔn)分子激光器，只需要30秒就可以完成這個(gè)任務(wù)。隨著準(zhǔn)分子激光技術(shù)的進(jìn)步，激光剝離技術(shù)將會(huì)在高亮度LED芯片制造行業(yè)取得巨大發(fā)展。

 

參考文獻(xiàn)

[1] R. Haitz and J. Y. Tsao: Solid-state lighting: ‘The case’ 10 years after and future prospects; Phys. Status Solidi A 208, No. 1, 17–29 (2011).

[2] R.,Delmdahl, M. Kunzer, and U. Schwarz: Thin film LEDs gaining ground. Excimer laser lift-off enables high brightness LED production; Laser Technik Journal 3, 22- 25 (2011).

[3] C.-F. Chu et al.:Study of GaN light-emitting diodes fabricated by laser lift-off technique; Journal of Applied Physics 95, No 8, 3916-3922 (2004).

[4] R. Delmdahl, R. Paetzel: The midas Touch: Surface processing with the UV excimer laser. Laser Technik Journal 1, 24-29 (2009)

[5] A. Masters, T. Geuking: Beam-shaping optics expand excimer laser applications; Laser Focus World, 41, 99-101 (2005)

 

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