2英寸GaN衬底自分离过程中的三维应力控制及相关力学问题的研究

Recently, GaN-based materials have attracted much interest because of their wide range of applications, such as in light-emitting diodes and laser diodes. Unfortunately, a major issue in the production of blue-violet optoelectronic devices is the lack of a readily available substrate for the growth of GaN films of high crystallographic quality. Using the freestanding GaN substrates has many benefits, such as low dislocation density, high thermal conductivity and so on. However, fully separation of GaN from substrates is difficult because of bending and cracking due to the mismatch in the lattice constants and the thermal expansion coefficients. This project will focuse on the key technology in fabrication of GaN substrate-the separation of GaN film from the sapphire substrate, research and establish the three-dimensional stress model for GaN thick layer/sapphire system. Different types of fracture,including delamination and surface crack, will be studied. These models will be used in controlling the self-separation processes between GaN and sapphire substrate. Some useful methods of self-separation will be applied in fabrication 2" GaN substrate based on calculational and experimental results. In this work, we will obtained 2" GaN substrate with high qualities.

III族氮化物（又称GaN基）半导体是近年来国际上倍受重视的宽禁带半导体材料，具有优异的物理、化学性质。而GaN衬底的制备是实现III族氮化物半导体同质外延，大幅提高外延材料和器件质量的根本途径，谁先解决其中的关键科学和技术问题，将会占据未来III族氮化物半导体研究和产业化的战略制高点。本项目针对HVPE技术研制GaN衬底中的关键技术- - GaN厚膜与蓝宝石衬底的分离技术，探索并建立针对这种大失配非连续异质厚膜体系的三维应力模型，研究降温过程及自分离过程中GaN厚膜中三维应力产生及释放机制，三维应力控制下的不同裂纹形式，裂纹的起源、扩展或抑制湮灭的条件及规律。将相关力学问题的规律应用于GaN衬底自分离控制过程：利用有利形式裂纹平行于界面的扩展，同时抑制有害形式裂纹垂直于界面的扩展，从而导致2英寸GaN厚膜与蓝宝石衬底的完整自分离，获得2英寸GaN自支撑衬底。

针对GaN厚膜体系中的应力控制问题，建立了相应的三维应力及断裂力学模型。模型克服了以前只针对薄膜的双层应力模型的限制，更适应于GaN衬底在分离前的实际应力状况。在模型中考虑了边缘效应的影响，证实了界面边缘处剪切力的存在，为自分离裂纹（c面裂纹）的起源提供了理论支持。同时，在此模型中首次详细研究了GaN厚膜体系中的c面裂纹起源和扩展的整个过程，对其影响因素进行了深入剖析，如a、利用密度泛函理论及第一性原理计算了GaN中极性面和非极性面的表面释放能（或比断裂能）的大小，从热力学的角度证实了a或m面比c面更容易开裂的事实，这说明了自分离为何难于发生的原因。基于此点，为了使自分离技术能真正应用于实际，提出极大降低缺陷密度的方法来抑制a或m面裂纹的起源，同时采用在界面边缘预置裂纹的方法来促进c面裂纹的产生；b、利用内缩圆形脱层模型分析了c面裂纹扩展过程，证实了临界厚度的存在，完全自分离必须达到一定厚度才能发生。.因此，厚膜体系三维应力及断裂力学模型的建立，首次从理论上给出了实现2英寸完整自分离的前提条件：1）GaN与蓝宝石必须具有高的晶体质量和低的缺陷密度；2）在界面边缘处预置裂纹作为裂纹源；3）GaN薄膜的膜厚分布要均匀；4）GaN薄膜厚度必须严格控制到临界厚度，达到一定厚度以上才能实现完全自分离。此结果为发展可控自分离技术提供了必要的理论基础与保障，导致可控自分离技术的成熟和完善，使自分离率从最初的10%提高到现在的70%，从而解决了2英寸GaN衬底制备中的关键技术，并具有原创性和完全知识产权。这一技术的发展为GaN衬底经后大批量生产奠定了坚实的基础。