前沿进展 | 低能量超快激光一步高精可控剥离制备柔性氮化镓器件

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

1 导读

近日，北京工业大学季凌飞研究员团队展示了利用低能量紫外超快激光一步实现晶圆级图案化氮化镓（GaN）膜层器件无损剥离，获得大形变下发光稳定的GaN基柔性LED的新策略。该研究成果以“Low-Energy UV Ultrafast Laser Controlled Lift-Off for High-Quality Flexible GaN-Based Device”为题于2022年1月15日在Advanced Functional Materials上以卷首文章（Frontispiece）发表。2022 | 前沿进展

2 研究背景

GaN作为第三代半导体，因其良好的光谱选择性、热稳定性、抗辐射性以及高响应灵敏度被广泛应用于可变形显示器、生命检测器件以及光遗传学等领域。然而，这些基于GaN的柔性电子器件通常需要经过机械、化学或激光剥离等方式将原始GaN功能层转移至最终的柔性衬底以实现制备。因此，一个高效、高质量的剥离过程直接决定了柔性GaN基电子器件的制备成本及性能。激光剥离技术（LLO）由于其器件损伤小、设备开放性好、应用方式灵活等优点，成为大规模工业化转移GaN功能层及GaN基器件的主流手段。目前LLO技术主要采用准分子纳秒脉冲激光，通过诱导蓝宝石与GaN交界面附近的材料迅速升温分解来实现GaN器件剥离。由于纳秒级脉宽的限制，GaN器件在剥离过程中极易受到热损伤。而通常超快激光的高峰值功率又往往造成膜层击穿，导致剥离器件直接失效。因此，如何降低LLO过程的损伤以提高剥离可靠性是目前亟待解决的难题。

3 研究创新点

基于多年来对超快激光与物质相互作用机制的研究积累，季凌飞研究团队从增强膜层本征吸收和控制脉冲非平衡热扩散的机理出发，创造性地提出低能量超快激光可控分层策略。

该策略通过对光子能量与材料带隙的合理匹配诱导温和的光化学反应，同时对等离子体演化行为进行动态调控，优化膜层器件在水平及竖直方向的受力分布，成功实现了界面应力仅为0.04 GPa，粗糙度仅为5 nm的晶圆级图案化GaN膜层器件的一步剥离，获得大形变下发光稳定的GaN基柔性LED。

图1 GaN膜层图案化超快激光可控分层剥离

图2 超快激光可控分层制备柔性GaN基LED 

4 总结与展望激光剥离全程在室温常压环境下完成，在获得超快激光非平衡热抑制机理研究成果的同时，也充分体现了激光绿色高精低能耗制造在芯片领域的巨大应用前景，为柔性GaN基电子器件的制备提供了一条具有工程化应用意义的低能耗、无污染全新之路。同时，该策略还可以在无需掩膜的情况下实现GaN膜层器件任意图案化的剥离，使一步制备具有复杂拓扑结构的GaN基电子器件也成为可能。也许在不久的将来，各种高集成度的柔性GaN传感器及柔性GaN基LED显示器将借助这一技术来到我们身边，为我们的生活带来全新的体验。论文工作得到国家自然科学基金(51975017)等项目资助，博士研究生孙伟高为第一作者，季凌飞研究员为通讯作者。该团队一直从事激光先进制造科学与技术研究，致力于激光前沿性研究与国家重大需求紧密结合，团队在该方向上的前期工作也以封面文章的形式被《中国激光》发表于第47卷第1期（点击查看原文和微信宣传）。图3 论文前期工作被选为《中国激光》封面文章论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202111920

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编辑 | 方紫璇

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