Материал: Процесс Lift-off в светодиодах на основе нитрида галлия

Эксимерные лазеры

Для протекания процесса абляции на границе сапфира и GaN необходим короткий лазерный импульс, который бы поглотился в тонком слое нитрида галлия и прошёл через сапфир. Поэтому для отделения подложки используют эксимерные лазеры или четвёртую гармонику неодимового лазера. Это обусловлено шириной запрещённых зон нитрида галлия и сапфира.

В данной работе используется эксимерный лазер на молекулах KrF. Активной средой эксимерного лазера являются молекулы газа. Но, в отличие от лазеров на CO, CO2 или N2, генерация в эксимерных лазерах происходит не на переходах между различными колебательно-вращательными состояниями, а между различными электронными состояниями молекул.

Существуют вещества, которые в основном состоянии не могут образовывать молекулы (их частицы в невозбужденном состоянии существуют лишь в мономерной форме). Это происходит, если основное состояние вещества соответствует взаимному отталкиванию атомов, является слабосвязанным, либо связанным, но при наличии больших межъядерных расстояниях (рис.7).

Рисунок 7: а - резко отталкивательная кривая; б - плоская кривая; в - кривая связанного состояния на больших межъядерных расстояниях

Молекулы рабочего вещества эксимерных лазеров грубо можно разделить на два вида: образованные частицами одного и того же вещества и частицами двух различных веществ. В соответствии с этим сами активные среды можно назвать "эксимеры" (excimer, excited dimer - возбужденный димер) и "эксиплексы" (exciplex, excited complex - возбужденный комплекс).

Процесс получения генерации в эксимерном лазере удобно рассмотреть с помощью рисунка 8, на котором представлены кривые потенциальной энергии для основного и возбужденного состояний двухатомной молекулы А2.

Рис. 8 Энергетические уровни и переходы в эксимерных лазерах

Поскольку кривая потенциальной энергии возбужденного состояния имеет минимум, молекула А2* может существовать. Данная молекула является эксимером. В процессе релаксации возбужденной среды устанавливается определенная траектория потока энергии, которая содержит скачок, преодолеваемый только испусканием излучения. Если в некотором объеме накопить довольно большое количество таких молекул, то на переходе между верхним (связанным) и нижним (свободным) уровнями можно получить генерацию (вынужденное излучение) - связанно-свободный переход.

Этот переход характеризуется следующими важными свойствами:

• 1. При переходе молекулы в основное состояние в результате генерации она немедленно диссоциирует;
• 2. Не существует четко выраженных вращательно-колебательных переходов, и переход является относительно широкополосным.
• 3. Если инверсия населенностей не достигается, то наблюдается флюоресценция.
• 4. Если нижнее состояние является слабосвязанным, то молекула в этом состоянии претерпевает быструю диссоциацию либо сама (предиссоциация), либо вследствие первого же столкновения с другой молекулой газовой смеси.

В настоящее время получена лазерная генерация на ряде эксимерных комплексов - квазимолекулах благородных газов, их окислах и галогенидах, а также парах металлических соединений. Длины волн генерации этих активных сред приведены в таблице 1.

Таблица 1. Длины волн и ширина линии усиления дляя разных активных сред эксимерных лазеров

Для получения квазимолекул благородных газов используются чистые газы, находящиеся под давлением в десятки атмосфер; для получения окислов благородных газов - смесь исходных газов с молекулярным кислородом или соединениями, содержащими кислород, в соотношении 10000: 1 под таким же давлением; для получения галогенидов благородных газов - их смеси с галогенами в соотношении 10000: 1 (для аргона и ксенона) или 10: 1 (для ксенона или криптона) при общем давлении 0,1 - 1 МПа.

Рассмотрим наиболее интересный класс эксимерных лазеров, в которых атом инертного газа в возбужденном состоянии соединяется с атомом галогена, что приводит к образованию эксиплекса галогенидов инертных газов. В качестве конкретных примеров можно указать ArF (л = 193 нм), KrF (л = 248 нм), XeCl (л = 309 нм), XeF (л = 351 нм), которые генерируют все в УФ диапазоне.

То, почему галогениды инертных газов легко образуются в возбужденном состоянии, становится ясным, если учесть, что в возбужденном состоянии атомы инертных газов становятся химически сходными с атомами щелочных металлов, которые легко вступают в реакцию с галогенами. Эта аналогия указывает также на то, что в возбужденном состоянии связь имеет ионный характер: в процессе образования связи возбужденный электрон переходит от атома инертного газа к атому галогена. Поэтому подобное связанное состояние также называют состоянием с переносом заряда.

В лазерах на галогенидах инертных газов существенное влияние на состояние плазмы оказывают процессы фотопоглощения. К ним относится фотодиссоциация исходного галогена, из которого образуется галогенид инертного газа F2 + hн > 2F; фотораспад образованного в плазме отрицательного иона F - + hн > F + e-; фотоионизация возбужденных атомов и молекул инертного газа Ar* + hн > Ar+ + e-; фотодиссоциация димеров ионов инертного газа Ar2+ + hн > Ar+ + Ar. А также поглощение самими молекулами галогенидов инертных газов.

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]

Эксимерный лазер на молекулах KrF

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

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.

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