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在过去的十年中，GaN基底的高亮度白光LED以其良好的性价比越来越引起人们的关注[1]。各个厂商竞相研发新的LED结构形式来提高其发光效率，以此增加LED芯片的发光度，从而降低LED芯片的单位发光成本。这些技术的发展以及高亮LED芯片自身的特点，极大地增加了全固态照明的应用范围，其在自动化照明、背光显示技术以及传统照明方面显示了蓬勃发展的局面。荷兰的A44高速公路已经成为世界上第一条采用LED照明的高速公路（见图1）。
图1：荷兰A44高速公路，是第一条采用LED照明的高速公路。
基底剥离的垂直结构实现更高亮度输出
传统方式采用两种方法设计LED芯片，即平面结构和垂直结构（见图2）。芯片结构的选择很大程度上依赖于材料的特性。
图2：LED芯片的平面结构图和垂直结构图。
蓝宝石晶体由于其低廉的成本以及良好的晶格匹配度而被广泛用于GaN发光材料的衬底生长。但是，蓝宝石同时是一种优异的绝缘材料，因此，对于P结和N结的接触电极，只能放置在LED芯片的正面同一侧，如图2中左图所示。如果采用导电材料（如铜、硅或碳化硅）来代替蓝宝石衬底，就可以采用正面和背面同时接触的垂直结构。
但是这样做也存在一定的困难。蓝宝石内在的优异特征能够促进LED发光材料的完美生长，蓝宝石对于生长LED芯片最佳衬底材料不可或缺。因此，要实现垂直结构，就要在生长完后再去剥离蓝宝石基底[2]。 垂直结构的优势在于有效扩大了发光多重量子井的有效面积，从而避免了从P结到N结的电流瓶颈效应。更为重要的是，垂直结构对于基底的散热有着巨大优势。
采用激光剥离系统剥离蓝宝石基底
垂直结构的制备如图3所示，首先在蓝宝石基底上外延生长出GaN发光层，然后在P结层一侧粘合上一层热传导良好的转移衬底，该衬底要求具有良好的导电性和散热性，通常采用硅或是特殊的合金；然后再采用激光剥离技术将蓝宝石衬底从芯片上剥离。
由于GaN发光层通常只有几个微米厚，采用化学刻蚀或机械研磨的手段来剥离蓝宝石衬底，很容易损伤到GaN发光层，这不利于垂直结构的制备。相比之下，激光剥离技术是一种非接触式技术，它可以实现选择性剥离衬底而不会对发光层材料造成损伤。
图3：典型的垂直结构LED芯片制备流程。
在激光剥离过程中，LED芯片直接受到高能量密度的紫外激光脉冲的照射，由于蓝宝石基底带隙很高，相对于248nm激光而言是透明的，所以激光脉冲会透过蓝宝石基底打到GaN层，而GaN和蓝宝石的连接层处（约2nm）会强烈吸收紫外激光能量，在激光能量密度为800~900J/cm2时，接触层的局部区域温度可以达到大约1000℃，导致连接层的材料产生气化，从而使蓝宝石衬底与GaN芯片安全分离[3]。
248nm激光剥离工艺
激光剥离采用高能量的248nm脉冲准分子激光器，根据脉冲激光方形光斑大小，将整个芯片分成若干个区域，每个区域采用单脉冲照射，通过电机平台的移动，逐个扫描实现整个芯片的基底剥离。方形光斑的边缘重叠部分可以设置在芯片单元之间的通道上，从而可以忽略其副作用。对于激光剥离系统而言，为了能够精确地控制剥离进程，达到良好的剥离效果，要求激光器必须具有良好的脉冲能量稳定性，其能量波动要控制在1%（RMS）左右。
激光剥离需要激光能量密度大于800mJ/cm2，而大尺寸的LED芯片通常其单个的芯片单元都在几个平方毫米大小，这就意味着剥离使用的准分子激光器需要提供的单脉冲能量通常在500mJ以上。这对于采用独立设计的准分子激光器而言是比较容易实现的，如美国相干公司的LEAP系列准分子激光器（如图4）。通常这类激光器提供的脉冲能量很高，可以实行单个脉冲同时剥离多个芯片单元。
图4：LEAP系列准分子激光器及其光束传输结构。
激光剥离工艺中一个最为关键的问题在于准分子激光器提供的激光脉冲光斑的均匀性。准分子激光器本身具有较大的发光截面以及较低的光束相干性，因此适于采用高性能的紫外光学元件进行整形。采用柱状透镜组制备的光束整形镜，将激光光束沿光轴方向进行匀化，再加上准分子激光器本身光束的相干性比较低，因此整形效果非常好。通过激光整形后，可以实现能量分布均匀、光斑边缘清晰的大尺寸激光光斑，非常适合用于高效快捷的激光剥离工艺。采用这种光源，对于6英寸的晶元，可以实现50片/小时的剥离速度。同时这种高功率的准分子激光器除了气瓶的更换外，基本不需要任何维护，更换气瓶也只需要几分钟的时间。因此，低廉的维护成本以及极小的故障时间，是准分子激光器相对于其他固态激光器而言最大的优势[4]。
结论
高亮LED开始在诸多领域内与传统光源相竞争。从技术层面看，传统的光源市场更需要亮度超过150流明/瓦的单片高亮度LED芯片。与平面结构产品相比，垂直结构的LED芯片具有更大优势，如更高的电流注入效率、更强的散热能力以及更好的阻抗。
而采用准分子激光剥离设备去除蓝宝石则是一种有效的工艺手段，在新一代高亮LED芯片的制备中，将会成为不可或缺的关键技术。
248nm准分子激光器技术的发展，使得激光输出脉冲能量可以达到1J以上。原有的激光剥离技术需要使用500mJ的激光脉冲，一个6英寸的晶片需要1500个脉冲才能够完全剥离。而现在使用50Hz重复频率的准分子激光器，只需要30秒就可以完成这个任务。随着准分子激光技术的进步，激光剥离技术将会在高亮度LED芯片制造行业取得巨大发展。
参考文献
[1] R. Haitz and J. Y. Tsao: Solid-state lighting: ‘The case’ 10 years after and future prospects; Phys. Status Solidi A 208, No. 1, 17–29 (2011).
[2] R.,Delmdahl, M. Kunzer, and U. Schwarz: Thin film LEDs gaining ground. Excimer laser lift-off enables high brightness LED production; Laser Technik Journal 3, 22- 25 (2011).
[3] C.-F. Chu et al.:Study of GaN light-emitting diodes fabricated by laser lift-off technique; Journal of Applied Physics 95, No 8, 3916-3922 (2004).
[4] R. Delmdahl, R. Paetzel: The midas Touch: Surface processing with the UV excimer laser. Laser Technik Journal 1, 24-29 (2009)
[5] A. Masters, T. Geuking: Beam-shaping optics expand excimer laser applications; Laser Focus World, 41, 99-101 (2005)
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