在超薄h-BN衬底上利用范德瓦尔斯外延技术生长GaN LED，以实现低阈值激光剥离

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Van der Waals epitaxy of GaN LEDs on ultrathin h-BN for low-threshold laser lift-off

采用原子级薄的高热导率六方氮化硼（h-BN）中间层，通过两步生长法实现氮化镓基LED的范德华外延生长，显著降低激光移层阈值功率至0.15W（较无h-BN时下降65.12%），有效抑制热损伤导致的表面粗糙度（Ra=6.61nm）和反向漏电流，为高能效、低损伤的氮化镓异质集成提供新方案。

　　

杜一伟|陈仁峰|曲晓东|黄子瑞|杨启超|董京南|杨建坤|王俊熙|李金民|魏同博

中国科学院半导体研究所宽带隙半导体研发中心，北京，100083，中国

摘要

基于氮化镓（GaN）的光电器件与硅平台的异构集成对于延续摩尔定律至关重要，但这一进程受到高质量外延所需绝缘且导热性能较差的蓝宝石基底的严重阻碍。激光剥离（LLO）是工业上常用的基底去除方法，然而该方法不可避免地会导致热损伤，从而影响器件性能。本文通过引入一层原子级薄、高导热性的六方氮化硼（h-BN）中间层作为GaN基发光二极管（LED）的范德瓦尔斯外延模板，克服了这一限制。利用两步生长法并配合低温GaN缓冲层，我们在双层h-BN模板上成功制备出高质量LED结构。实验表明，这种超薄h-BN层显著改善了LLO过程：其出色的热扩散能力将所需的LLO阈值功率降低了65.12%，降至仅0.15 W，从而大幅减少了能量消耗。更重要的是，该中间层还减轻了分离过程中的热损伤，使得转移后的GaN表面粗糙度仅为6.61 nm，并有效抑制了最终器件中的反向偏置漏电流。我们的工作为低损伤、高效率、低成本的LLO工艺提供了合理的材料策略，为高性能氮化物光电器件的可扩展异构集成开辟了新途径。

引言

在大数据和人工智能时代，对数据处理的需求呈指数级增长，这迫使单芯片性能达到物理极限。异构集成成为延续摩尔定律、实现多功能系统的关键途径[1]。基于氮化镓（GaN）的发光二极管（LED）凭借高效电光转换、高亮度和长寿命，不仅成为固态照明的基石，也是光互连、微显示和可穿戴电子器件等异构系统中的不可或缺的元件[[2], [3], [4], [5], [6]]。然而，高性能GaN基LED通常生长在透明的蓝宝石基底上。虽然蓝宝石有利于外延，但其电绝缘性和导热性差的特点严重限制了LED与硅驱动电路或高导热性基底的集成[7]。

剥离技术能够实现生长基底的去除，并将外延薄膜转移到硅等外部处理基底上，是实现GaN基光电器件异构集成的重要方法[8]。现有技术包括机械剥离[9,10]、电化学剥离[11,12]和激光剥离（LLO）[[13], [14], [15]]。其中，将机械剥离与二维（2D）材料基远程外延或范德瓦尔斯外延（vdWE）结合使用具有巨大潜力[[16], [17], [18]]。然而，这些技术在工业应用中仍面临挑战：GaN生长所需的等离子体处理可能破坏h-BN的晶体完整性，条件控制不当可能导致氮化物直接在蓝宝石上外延[19,20]。高温下，蓝宝石基底中的铝原子会扩散到h-BN层中形成氮化铝（AlN）中间层，阻碍分离[21]；此外，剥离过程本身也会因外力作用产生机械损伤[22]。电化学剥离虽然损伤较小，但蚀刻速率较慢，不适用于工业生产。目前，激光剥离仍是主流应用的主要技术，其在产量、成本效益方面具有显著优势，满足了大规模制造的需求[23], [24], [25], [26]]。然而，作为一种依赖局部加热分解GaN界面层的工艺，LLO不可避免地对剩余外延层造成热损伤[27]。高能激光照射可能因热机械应力导致晶圆翘曲，并通过热扩散影响温度敏感区域（如多量子阱MQWs活性层）的晶体完整性[28,29]。为缓解这些问题，研究人员探索了线扫描LLO和缩短脉冲宽度等策略，但受蓝宝石导热性差的限制[30], [31], [32]。因此，需要从材料层面进行创新以实现低损伤、高效率的LLO工艺。具有优异热扩散能力和与GaN生长工艺兼容性的二维六方氮化硼（h-BN）为此提供了有效途径[33,34]。利用h-BN的出色热扩散能力调控LLO过程中的热场，对推进GaN基光电器件的异构集成具有重要的科学意义和实际工程价值。

在本研究中，我们采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在双层h-BN上实现了GaN基LED的范德瓦尔斯外延（vdWE），在蓝宝石基底与LED结构之间引入高导热性的h-BN中间层以促进剥离过程。首先在蓝宝石上制备双层h-BN作为外延模板。为保持模板完整性，我们避免使用等离子体处理，而是利用h-BN自身的生长缺陷结合两步生长法来沉积GaN。得益于GaN原子的高迁移率，低温（LT）GaN缓冲层比AlN缓冲层更有利于获得高质量GaN薄膜。不过，h-BN对基底表面的屏蔽作用会导致较厚h-BN使用时晶体质量略有下降。值得注意的是，引入双层h-BN中间层后，LLO阈值功率从0.43 W降至0.15 W，显著降低了热损伤：剥离后的LED表面粗糙度仅为6.61 nm，远低于未使用h-BN的情况，且热损伤引起的漏电流显著减少。这种降低的阈值还减少了剥离过程中的能量损失，具有潜在的成本优势。

章节摘录

在双面抛光蓝宝石基底上通过MOCVD外延生长h-BN

通过MOCVD直接在2英寸双面抛光c-plane蓝宝石基底上生长h-BN薄膜。生长前，基底在混合氢气（H₂）和氨气（NH₃）气氛中于1300 °C下进行30秒的氮化预处理。氮化处理后，终止NH₃气体流动，并将温度升至1460 °C进行h-BN外延。整个过程中腔室压力保持在50 Torr。

h-BN模板的制备

图1a展示了通过MOCVD在蓝宝石上生长的双层h-BN薄膜的表面形态。该厚度约为两个原子层，远低于导致弯曲的临界厚度，因此表面平整无褶皱，均方根（RMS）粗糙度仅为0.40 nm [35]。光谱椭圆偏振测量结果显示薄膜厚度约为0.64 nm，与预期一致（图1b）。

结论

总之，我们将高导热性的h-BN中间层引入LLO工艺，显著降低了基底分离所需的阈值功率，并有效减轻了传统LLO过程中的热损伤。这种方法将二维材料上的范德瓦尔斯外延与工业规模GaN基LED的可靠、低成本剥离相结合。具体而言，我们采用MOCVD直接生长的双层h-BN薄膜作为后续外延的模板。

CRediT作者贡献声明

杜一伟：撰写 – 原始稿撰写、研究、数据分析。 陈仁峰：数据分析。 曲晓东：方法论设计。 黄子瑞：方法论设计。 杨启超：结果验证。 董京南：软件开发。 杨建坤：数据可视化。 王俊熙：资源协调、项目管理。 李金民：研究指导、资源调配。 魏同博：撰写 – 审稿与编辑、研究指导、资金申请、概念构思。

利益冲突声明

作者声明以下财务利益/个人关系可能构成潜在的利益冲突：我们确认所有署名作者均已阅读并批准了本手稿，且不存在其他符合作者资格但未列出的人员。同时确认手稿中作者的排序已得到所有作者的认可。我们已充分考虑到知识产权的保护。

致谢

本工作得到了广东省CUI CAN计划（CC/XM-202401JS0401）、国家自然科学基金（项目编号52192614、12574083、62135013）、北京市自然科学基金（项目编号26JL006）以及深圳市科技创新计划（项目编号JCYJ20250604175911015）的财政支持。