ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 2, с. 270-274
УДК 534.6:53.082.4
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ ПРИ СУБЛИМАЦИИ
МИКРОННОГО СЛОЯ НИТРИДА ГАЛЛИЯ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ИЗЛУЧЕНИЯ KrF-ЛАЗЕРА © 2015 г. М. Е. Левицкий1, Н. Н. Бочкарев2, В. Г. Соковиков2
E-mail: bonic@iao.ru
Исследована эффективность абляции слоя нитрида галлия при воздействии через слой сапфира импульсами KrF-лазера. Полученные зависимости эволюции акустической эмиссии при изменении плотности энергии лазерных импульсов имеют пороговый характер, что позволяет контролировать эффективность абляции и следить за качеством кристаллов нитрида галлия, отделяемых от сапфировой подложки.
DOI: 10.7868/S0367676515020155
Большой интерес к полупроводникам, относящимся к группе III-нитридов, таким как GaN, InN, и AlN, и тройным соединениям AlGaN, InGaN, вызван перспективами создания на их основе электронных приборов большой мощности, в том числе светодиодов и лазерных диодов, а также оптических детекторов [1]. Широкий интервал значений ширины запрещенной зоны 0.7—6.2 эВ (таблица) данной группы соединений позволяет перекрывать диапазон длин волн от инфракрасного до ультрафиолетового спектра в рамках общей нитридной технологии.
Особое внимание уделяется соединениям на основе GaN, на базе которых налажено производство светодиодов высокой яркости, испускающих излучение желтого, голубого и белого цвета. Разработаны оптические детекторы в голубой и ультрафиолетовой частях спектра, голубые лазерные диоды. Данные приборы нашли применение в осветительных приборах, полноцветных дисплеях, автомобильных и самолетных осветителях, для записи цифровой информации.
В технологии производства приборов на базе III-нитридов высокую эффективность показали методы лазерной обработки, например лазерное напыление тонких пленок и лазерное травление структур [2]. Широко используется метод Laser Lift-off (LLO) в производстве светодиодов высокой яркости [3, 4] — метод отрыва гетерострукту-ры от эпитаксиальной сапфировой подложки (лейкосапфир — бесцветный оксид алюминия
1 Закрытое акционерное общество Научно-внедренческое предприятие "Топаз", Томск.
2 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы имени В.Е.Зуева Сибирского отделения Российской академии наук, Томск.
А1203 с температурой плавления 2040°С) с целью переноса ее на теплопроводящую подложку, что вследствие комплекса причин существенно повышает выходные и эксплуатационные параметры таких устройств. Эти методы обработки основаны на эффекте лазерной абляции — выноса массы вещества в результате воздействия импульса лазерного излучения в области длин волн собственного поглощения гетероструктуры, количество которой контролируется длиной волны, энергией и длительностью лазерного импульса.
Особенность рассматриваемых материалов — достаточно низкий энергетический порог абляции порядка 0.3 Дж • см-2 для ОаМ (~0.6 Дж • см-2 для АШ) [2], что вызвано специфическим характером процесса, который происходит при температурах в локальной области воздействия лазерного излучения, значительно меньших температуры плавления материала. Причина такого поведения — термическая декомпозиция этих соединений с выделением N и металлической составляющей при достаточно низких температурах. В частности, для ОаМ термическая декомпозиция
Свойства материалов группы III-нитридов
Tm, K Te, °C EMN, . кДж ■ моль 1 Б, эВ
AlN 3487 1040 414 6.2
GaN 2791 850 379 3.43
InN 1373 630 336 0.7
происходит по схеме Оа^^ ^ Оа(Ь) + 1/2 М2(е), где подстрочные символы S, Ь и О, обозначают твердое, жидкое и газообразное состояния компонента соответственно.
Температура ТЕ, при которой происходит декомпозиция [5], Тт — температура плавления, Емм — энергия активации процесса превращения энергетический порог абляции и е — значения ширины запрещенной зоны 111-нитридов представлены в таблице.
При облучении со стороны подложки ультрафиолетовым светом эпитаксиальной полупроводниковой пленки ОаМ, выращенной на подложке из сапфира, лазерное излучение проходит сквозь сапфир и поглощается в тонком слое ОаМ вблизи эпитаксиальной границы раздела ОаМ-сапфир. Под воздействием ультрафиолетового лазерного излучения ОаМ нагревается в области пересечения лазерного луча с эпитаксиальной границей раздела до температуры, превышающей температуру декомпозиции, и разлагается на N и жидкий Оа, температура плавления которого ~30°С. В результате эпитаксиальная пленка ОаМ отделяется от сапфира.
Сапфир служит основным материалом при производстве светоизлучающих диодов, поскольку его кристаллическая решетка позволяет наращивать эпитаксиальный слой ОаМ с хорошими рабочими характеристиками. Сапфир прекрасно пропускает лазерное излучение в диапазоне длин волн 250-4500 нм.
Технология изготовления светодиодов многоступенчатая, начиная от подготовки материала, выращивания его на специальных подложках, разделения чипов, нанесения электродов и т. д. Технология ЬЬО занимает примерно 1/10 часть от всего многоступенчатого процесса. Однако использование этой 1/10 части позволяет повысить светоотдачу полупроводниковых источников излучения примерно на 30%. Ведущие мировые компании, которые обладают этой технологией, делают светодиоды высочайшего уровня.
Направления совершенствования технологии ЬЬО рассмотрены в многочисленных научных публикациях и патентах.
Например, в [6] авторы оптимизируют плотность энергии Мё:УАО-лазера на третьей гармонике излучения с целью уменьшения слоя разложившегося ОаМ, исследуя технологию ЬЬО на очень тонком слое 4 мкм. Используя диагностические методы фотолюминесценции и рентгеновской дифракции установили искривление пластины ОаМ на подложке из сапфира после лазерного облучения и образования металлического Оа между ними.
В работах [7-9] с использованием эксимерно-го КР-лазера слои ОаМ успешно отделялись от сапфировых подложек. Структурные и оптические свойства пленок ОаМ до и после процесса ЬЬО исследовали методами рентгеновской дифракции, атомно-силовой микроскопии (АРМ), раман-спектрометрии и другими методами. Обсуждалась стратегия процесса управления пороговой плотностью энергии Е, не приводящей к образованию трещин в кристаллах ОаМ. Отмечено преимущество использования для технологии ЬЬО именно эксимерных лазеров, способных обеспечить в ультрафиолетовой области излучения короткую длительность импульса, необходимую для высокой степени локализации процесса ЬЬО.
В патентах [10, 11] защищаются варианты совершенствования технологии ЬЬО. Например, в [10] указано, что все предложенные ранее способы ЬЬО могут успешно применяться для отделения эпитаксиальных пленок, полученных с использованием метода гетероэпитаксии, т. е. технологии наращивания эпитаксиальной пленки на ростовой подложке, выполненной из материала, отличного от материала эпитаксиальной пленки. Для получения высококачественных эпитак-сиальных пленок, без встроенных механических напряжений, необходимо использовать метод го-моэпитаксии, который предполагает наращивание эпитаксиальной пленки на ростовой подложке из того же материала, что и эпитаксиальная пленка. Тогда длина волны лазерного излучения для отделения гомоэпитаксиальных пленок, например ОаМ от ростовой подложки лежит в диапазоне 4-32 мкм.
Контроль качества отделения слоя ОаМ от подложки сапфира выполняется в большинстве технологических цепочек визуально под микроскопом. Существует оптимальный довольно узкий диапазон плотности энергии лазерного излучения Е, в котором происходит отделение кристаллов сапфира. Излишняя Е приводит к образованию трещин в слое ОаМ или к его разрушению. При недостаточной величине Е отделение слоя ОаМ от кристаллов сапфира становится невозможным.
Выполненный нами обзор публикаций по технологии ЬЬО показывает, что акустическую эмиссию, сопровождающую процесс ЬЬО, не исследовали с точки зрения получения дополнительной информации о протекании процесса ЬЬО, поэтому основная задача выполнения таких экспериментов связана с исследованием акустической эмиссии, инициируемой процессом абляции микронного слоя ОаМ при воздействии через слой сапфировой подложки импульсами лазерного излучения.
272
ЛЕВИЦКИЙ и др.
Рис. 1. Локальная схема измерений: 1 — РУСР-датчик; 2 — излучение КгР-лазера; 3 — подложка сапфира; 4 — слой ОаК; 5 — микрофон; 6 — керамика; 7 — клеевой слой.
Оптико-акустическая методика исследования процессов, сопровождающих воздействие лазерного излучения на различные среды, подробно изложена в монографиях [12—14], где на единой методологической основе рассмотрены оптико-акустические явления в различных средах — диэлектриках, металлах, полупроводниках. Обобщены данные по использованию оптико-акустического эффекта в научных исследованиях и приложениях. Отражены основные результаты и тенденции развития фундаментальных исследований лазерно-индуцирован-ных фазовых переходов на импедансной границе металлов и прикладных разработок по направлению лазерной оптико-акустической диагностики.
В экспериментах использовали КгБ-лазер с длиной волны 248 нм длительностью импульса 10 нс и максимальной энергией в импульсе до 40 мДж. Акустическую эмиссию наблюдали с использованием электретного поливинилиденфторидного пленочного датчика (РУиБ-датчик) в диапазоне частот 0.02—200 МГц, пьезокерамического датчика (РС-датчик) из керамики ЦТС-5 в диапазоне частот 0.02—3.8 МГц и конденсаторного микрофона МК301/МУ201 в полосе частот 0.02-100 кГц.
Исследования выполнялись на единственной в РФ установке, разработанной и изготовленной в ЗАО НВП "Топаз", — система ЬЬО для отделения ОаМ от сапфировой подложки.
На рис. 1 показана схема измерений, в которой использовали кристаллы сапфира размером 1360 х х 1360 х (290 или 430) мкм. Толщина слоя ОаМ ~5 мкм, керамической подложки — 500 мкм, РУиБ-датчика — 15 мкм. Тонкий слой эпоксидно-
го клея или силиконового масла над РУиБ-датчи-ком служил для создания акустического контакта. Если в измерениях использовали РС-датчик, то он размещался вместо Р"УОБ-датчика.
Диапазон температур, в котором происходит термодекомпозиция ОаМ, относительно узкий: 830—1200°С. Возникающее в результате термо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.