日本和瑞士的研究人員已采用一種藍寶石襯底激光方式使氫化物氣相外延法(HVPE)生長的GaN層厚度增加200μu03BCm左右。研究人員來自納米奇精密珠寶公司、洛桑聯邦理工學院(EPFL)、納米奇精密有限公司和日本立命館大學。

       由于比金屬有機化合物氣相沉積 (MOCVD)或分子束外延法更快，因此HVPE成為一種具有吸引力的GaN生長技術。HVPE生長速度可達到每小時幾百微米。但是，藍寶石與GaN之間的晶格常熟和熱膨脹差異成為該方法的阻礙。另一方面，降低穿透位錯(TDs)的效果以及開發自支撐GaN 襯底需要更厚的層。

       該研究人員采用1045nm的飛秒激光(femtosecond laser)控制C面藍寶石襯底的應力(如圖1)。激光集中在藍寶石材料中以制作不損壞用于外延生長的晶體表面的非晶層(amorphous layers)。非晶區域是為體脹生產應變(strain)。多種激光方式可應用到：A，激光集中在襯底厚度上半部分，翹曲效果70μu03BCm;B，激光集中在厚度中部，翹曲近乎零;以及C，激光集中在上下半部分且有兩個非晶區域，翹曲近乎零。

       圖1.襯底內部激光處理原理及所涉及的襯底翹曲變化。

       HVPE生長從氮化作用和非原位表面制備(ex-situ surface preparation)開始。然后襯底返回到HVPE反應器以生長厚的GaN。相對于MOCVD GaN，研究人員將自己技術比作兩步工藝(低溫成核/高溫生長)。未加工襯底在GaN模板破裂前的關鍵厚度為15?20μu03BCm。層大于80μu03BCm的話，襯底會碎裂(圖2)。激光處理的襯底可允許更厚的生長層(表1)。

       圖2.藍寶石襯底GaN層 圖：(a)為50μu03BCm的平面藍寶石GaN、(b)為80μu03BCm的藍寶石襯底GaN、(c)為80μu03BCm的A襯底GaN、(d)為200μu03BCm的B襯底(金六邊形邊微裂)，以及(d)為200μu03BCm的C襯底(未裂)GaN。

       除了與關鍵厚度相關外，由于藍寶石與GaN之間的熱膨脹系數差異，破裂也會發生在冷處理時。激光方式的另一個效果是藍寶石在破裂前可承受更大的翹曲。研究人員預估，激光工藝可改進經受彎曲應力的藍寶石襯底的靈活性。

       表1.藍寶石襯底發生破裂的關鍵GaN厚度和獲得的關鍵翹曲。

       該GaN材料質量采用了陰極發光儀和原子力顯微鏡分析。在平面藍寶石生長的薄層的TD厚度預計為2x108/cm2。激光處理的襯底上生長的200μu03BCm GaN層降至 1x108/cm2 。