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在過去的十年中，GaN基底的高亮度白光LED以其良好的性價比越來越引起人們的關注[1]。各個廠商競相研發(fā)新的LED結構形式來提高其發(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。這些技術的發(fā)展以及高亮LED芯片自身的特點，極大地增加了全固態(tài)照明的應用范圍，其在自動化照明、背光顯示技術以及傳統(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。
基底剝離的垂直結構實現(xiàn)更高亮度輸出
傳統(tǒng)方式采用兩種方法設計LED芯片，即平面結構和垂直結構（見圖2）。芯片結構的選擇很大程度上依賴于材料的特性。
圖2：LED芯片的平面結構圖和垂直結構圖。
藍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，藍寶石同時是一種優(yōu)異的絕緣材料，因此，對于P結和N結的接觸電極，只能放置在LED芯片的正面同一側，如圖2中左圖所示。如果采用導電材料（如銅、硅或碳化硅）來代替藍寶石襯底，就可以采用正面和背面同時接觸的垂直結構。
但是這樣做也存在一定的困難。藍寶石內在的優(yōu)異特征能夠促進LED發(fā)光材料的完美生長，藍寶石對于生長LED芯片最佳襯底材料不可或缺。因此，要實現(xiàn)垂直結構，就要在生長完后再去剝離藍寶石基底[2]。 垂直結構的優(yōu)勢在于有效擴大了發(fā)光多重量子井的有效面積，從而避免了從P結到N結的電流瓶頸效應。更為重要的是，垂直結構對于基底的散熱有著巨大優(yōu)勢。
采用激光剝離系統(tǒng)剝離藍寶石基底
垂直結構的制備如圖3所示，首先在藍寶石基底上外延生長出GaN發(fā)光層，然后在P結層一側粘合上一層熱傳導良好的轉移襯底，該襯底要求具有良好的導電性和散熱性，通常采用硅或是特殊的合金；然后再采用激光剝離技術將藍寶石襯底從芯片上剝離。
由于GaN發(fā)光層通常只有幾個微米厚，采用化學刻蝕或機械研磨的手段來剝離藍寶石襯底，很容易損傷到GaN發(fā)光層，這不利于垂直結構的制備。相比之下，激光剝離技術是一種非接觸式技術，它可以實現(xiàn)選擇性剝離襯底而不會對發(fā)光層材料造成損傷。
圖3：典型的垂直結構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，由于藍寶石基底帶隙很高，相對于248nm激光而言是透明的，所以激光脈沖會透過藍寶石基底打到GaN層，而GaN和藍寶石的連接層處（約2nm）會強烈吸收紫外激光能量，在激光能量密度為800~900J/cm2時，接觸層的局部區(qū)域溫度可以達到大約1000℃，導致連接層的材料產生氣化，從而使藍寶石襯底與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脈沖準分子激光器，根據(jù)脈沖激光方形光斑大小，將整個芯片分成若干個區(qū)域，每個區(qū)域采用單脈沖照射，通過電機平臺的移動，逐個掃描實現(xiàn)整個芯片的基底剝離。方形光斑的邊緣重疊部分可以設置在芯片單元之間的通道上，從而可以忽略其副作用。對于激光剝離系統(tǒng)而言，為了能夠精確地控制剝離進程，達到良好的剝離效果，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芯片通常其單個的芯片單元都在幾個平方毫米大小，這就意味著剝離使用的準分子激光器需要提供的單脈沖能量通常在500mJ以上。這對于采用獨立設計的準分子激光器而言是比較容易實現(xiàn)的，如美國相干公司的LEAP系列準分子激光器（如圖4）。通常這類激光器提供的脈沖能量很高，可以實行單個脈沖同時剝離多個芯片單元。
圖4：LEAP系列準分子激光器及其光束傳輸結構。
激光剝離工藝中一個最為關鍵的問題在于準分子激光器提供的激光脈沖光斑的均勻性。準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元件進行整形。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行勻化，再加上準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，對于6英寸的晶元，可以實現(xiàn)50片/小時的剝離速度。同時這種高功率的準分子激光器除了氣瓶的更換外，基本不需要任何維護，更換氣瓶也只需要幾分鐘的時間。因此，低廉的維護成本以及極小的故障時間，是準分子激光器相對于其他固態(tài)激光器而言最大的優(yōu)勢[4]。
結論
高亮LED開始在諸多領域內與傳統(tǒng)光源相競爭。從技術層面看，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。與平面結構產品相比，垂直結構的LED芯片具有更大優(yōu)勢，如更高的電流注入效率、更強的散熱能力以及更好的阻抗。
而采用準分子激光剝離設備去除藍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，將會成為不可或缺的關鍵技術。
248nm準分子激光器技術的發(fā)展，使得激光輸出脈沖能量可以達到1J以上。原有的激光剝離技術需要使用500mJ的激光脈沖，一個6英寸的晶片需要1500個脈沖才能夠完全剝離。而現(xiàn)在使用50Hz重復頻率的準分子激光器，只需要30秒就可以完成這個任務。隨著準分子激光技術的進步，激光剝離技術將會在高亮度LED芯片制造行業(yè)取得巨大發(fā)展。
參考文獻
[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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