CN103824905A - 一种氮化镓led蓝宝石衬底柔性电子应用的激光剥离方法 - Google Patents

一种氮化镓led蓝宝石衬底柔性电子应用的激光剥离方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氮化镓LED蓝宝石衬底柔性电子应用的激光剥离方法，使用大功率而且作用时间很短的激光发射，在介面区域产生足够的热量使氮化镓分解成金属镓和氮气，并且由于激光的作用时间很短，热量较为集中，故分解的氮化镓只有介面附近的几百纳米厚，不会破坏氮化镓LED的核心区域；在照射过后，介面区域将只有一层由氮化镓分解而留下的镓金属，它将蓝宝石衬底与氮化镓连接起来；加热将氮化镓与蓝宝石衬底分开；用稀释的盐酸溶液去除分离之后氮化镓上的镓金属殘留。相对于现有技术，本发明可以用简单快速的方法，有效地将整个LED阵列原样地对蓝宝石衬底进行剥离与转移。

Description

一种氮化镓LED蓝宝石衬底柔性电子应用的激光剥离方法
技术领域
本发明公开了一种氮化镓LED蓝宝石衬底柔性电子应用的激光剥离方法，具体涉及氮化镓二极管制作工艺中，使用激光消熔技术使氮化镓与蓝宝石衬底分离。
背景技术
发光二极管（Light-Emitting Diode，简称LED）是一种能发光的半导体电子元件。主要分为有机发光二极管和无机发光二极管两种。无机LED本体材料主要有镓（Ga）、砷（As）、磷（P）等，由它们的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光。其中氮化镓是应用最广泛的LED材料，主要用来制造蓝光LED。
对于氮化镓（GaN）材料，长期以来由于衬底单晶没有解决，所以主要用异质外延技术来生长，如以蓝宝石（sapphire）和碳化硅（SiC）为衬底，其中又以蓝宝石衬底最为常用。虽然氮化镓是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，但是实验表明, 氮化镓在相对低的温度（约800-900 °衬）下就会分解成金属镓与氮气。虽然这样对于生长大块的高质量氮化镓不利，但是却给用激光消熔技术使氮化镓与蓝宝石衬底分离提供了便利。
因为LED的发光效率随着LED温度的升高而下降，所以LED的散热非常重要。蓝宝石衬底的导热性和导电性比较差，而高功率氮化镓LED在工作时会产生大量的热，这些热量如果不能及时导走，将严重地影响高功率氮化镓LED的性能。用导热性能更好的材料来代替蓝宝石衬底将有可能有效解决LED的散热问题。另外，如果蓝宝石衬底可以重新被利用来生长氮化镓LED，则可节省生产成本。同时，近年来柔性电子器件引起了人们很大的兴趣，比如柔性太阳能电池，柔性显示屏等。现在大部分的柔性显示屏主要是基于有机发光二极管（OLED）的，而OLED无论是使用寿命还是发光强度都比不上有机发光二极管。但是相比于OLED，无机LED在柔性和延展性方面都很差，很大程度地限制了把无机LED制成柔性器件的应用。因此，如果存在某种工艺能把LED的硬衬底去掉，对于将其做成柔性器件，如柔性显示屏，就显得非常有意义。
常用的蓝宝石衬底剥离方法主要有化学机械（chemomechanical）法，湿化学刻蚀法。由于蓝宝石的坚硬与缺少有效的化学刻蚀剂，限制了上述前两种方法的运用。而面向柔性电子学应用的激光剥离法简单有效，成为了最有潜力的剥离方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种氮化镓LED蓝宝石衬底柔性电子应用的激光剥离方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种氮化镓LED蓝宝石衬底柔性电子应用的激光剥离方法，具体步骤如下：
步骤一、用粘合剂将单颗氮化镓LED或者LED阵列粘连到支撑衬底上，从氮化镓侧开始粘连，露出蓝宝石侧；
步骤二、将粘连后的氮化镓LED放置于激光光路上焦点处，蓝宝石侧正对着激光射入的路径，调整激光束的光斑大小，使光斑能整体覆盖单颗LED；
步骤三、逐步调高激光的脉冲能量，利用单脉冲将激光束能介面处的氮化镓分解。LED阵列可以通过移动样品平台的做法，对LED阵列进行扫描照射； 
步骤四、将经过分解处理的氮化镓LED置于加热台上加热，使得由氮化镓分解而遗留的镓处于熔融状态，从中移除蓝宝石；
步骤五、去除遗留的镓金属，并清洗经过步骤一至四处理的氮化镓LED；
步骤六、将经过清洗的氮化镓LED与目标衬底相粘合，去除支撑衬底。
作为本发明的进一步优选方案，所述步骤四中，加热温度为50 °C。
作为本发明的进一步优选方案，所述步骤五中，使用1摩尔的盐酸溶液去除遗留的镓金属。
作为本发明的进一步优选方案，所述步骤六中，目标衬底为PDMS薄膜或者聚酰亚胺薄膜或者布料。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：以简单快速的方法，有效地将整个LED阵列原样地对蓝宝石衬底进行剥离与转移。
附图说明
图1是激光剥离氮化镓LED过程示意图，
其中：1.粘合剂、2.激光、3.支撑衬底、4. 氮化镓LED、5.蓝宝石衬底、6.目标衬底。
图2是激光剥离前后的氮化镓LED的电流电压曲线图。   
具体实施方式
激光剥离的作用原理基于氮化镓与蓝石宝之间的带隙差异。蓝宝石的光学带隙为8.7 eV, 氮化镓的光学带隙为3.5 eV，波长介于143 nm到354 nm的光将可以透过蓝宝石，但是却可以被氮化镓吸收。当这个范围内的光从蓝宝石衬底一则入射时，它将透过蓝宝石，被处于介面区域的氮化镓吸收，产生热量。如果这个光是由大功率而且作用时间很短的激光发射，则在介面区域可以产生足够的热量使氮化镓分解成金属镓和氮气，并且由于激光的作用时间很短，热量来不及传远，分解的氮化镓只有介面附近的几百纳米厚，不会破坏氮化镓 LED的核心区域。在照射过后，介面区域将只有一层由氮化镓分解而留下的镓金属，它将蓝宝石衬底与氮化镓连接起来。由于金属镓的熔点很低，只有29.76 °C，所以只需将其加热到几十摄氏度就可以轻易将氮化镓与蓝宝石衬底分开。分离之后氮化镓上的镓金属殘留可以用稀释的盐酸溶液去除。
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明的具体步骤如图1所示：
1）用粘合剂将氮化镓LED粘到支撑衬底玻璃片或硅片上，从氮化镓一侧粘，露出蓝宝石一侧；
2）将样品放置于激光光路上焦点附近，蓝宝石侧正对着激光射入的路径，调整样品的距离从而调整激光束落在样品上的光斑的大小；
3）逐步调高激光的脉冲能量，只打单脉冲，打完一个脉冲后在光学显微镜下观察样品变化；直至单个脉冲的激光束能介面处的氮化镓分解，注意不能使用过强的激光，以免损伤氮化镓过多，从而损害氮化镓LED的性能；
4）将样品置于加热台上，加热至50 °C，此时介面处的由氮化镓分解而遗留的镓处于熔融状态，用胶带将蓝宝石小心移除；
5）用1摩尔的盐酸溶液去除遗留在样品上的镓金属，用去离子水将样品洗干净；
6）将样品粘合在目标衬底上；实施例的测试中选用了三种衬底，PDMS薄膜，聚酰亚胺薄膜，布料；
7）去除支撑衬底；
8）表征和测试氮化镓LED样品，电流电压曲线如图2所示。
使用本发明公开的激光剥离蓝宝石衬底的工艺，在激光剥离结束后测试了剥离后样品的形貌和电流电压曲线，如图2所示。转移氮化镓LED至各种柔性目标衬底上，如聚酰亚胺（PI）薄膜、PDMS薄膜、布料等，选用波长为248 nm的氟化氪（KrF）脉冲气体激光器，单个脉冲的能量可调（100-600 mJ），改变光斑的大小便可改变能量密度（mJ/cm2)。实现了蓝宝石衬底的成功剥离，并成功地把转到各种目标衬底上的LED点亮。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (4)

1.一种氮化镓LED蓝宝石衬底柔性电子应用的激光剥离方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一、用粘合剂将氮化镓LED粘连到支撑衬底上，氮化镓LED的氮化镓侧与支持衬底相粘连，露出氮化镓LED的蓝宝石侧；
步骤二、将粘连后的氮化镓LED放置于激光光路上的焦点处，氮化镓LED的蓝宝石侧正对激光射入的路径，调整激光束的光斑大小，使光斑能整体覆盖氮化镓LED；
步骤三、逐步调高激光的脉冲能量，利用单脉冲将激光束能介面处的氮化镓分解； 
步骤四、将经过分解处理的氮化镓LED加热，使得由氮化镓分解而遗留的镓处于熔融状态，从中移除蓝宝石；
步骤五、去除遗留的镓金属，并清洗经过步骤一至四处理的氮化镓LED；
步骤六、将经过清洗的氮化镓LED与目标衬底相粘合。
2.如权利要求1所述的一种氮化镓LED蓝宝石衬底柔性电子应用的激光剥离方法，其特征在于：所述步骤四中，加热方式为将氮化镓LED至于加热台上，加热温度为50 °C。
3.如权利要求1所述的一种氮化镓LED蓝宝石衬底柔性电子应用的激光剥离方法，其特征在于：所述步骤五中，使用1摩尔的盐酸溶液去除遗留的镓金属。
4.如权利要求1所述的一种氮化镓LED蓝宝石衬底柔性电子应用的激光剥离方法，其特征在于：所述步骤六中，目标衬底为PDMS薄膜或者聚酰亚胺薄膜或者布料。
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