诺贝尔奖团队开发，零损耗激光切片技术，可降低 GaN晶圆的价格

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研究要点：

名古屋大学天野浩团队和 Hamamatsu Photonics开发了一种使用激光可以在短时间内无损耗地切割GaN晶圆技术。

利用激光切割不会造成GaN的切口损失（kerf loss），对于高价GaN结晶的切割浪费极少

因为没有用传统的线锯切割技术，所以没有出现大量的锯齿状切面。这样切面平坦，可以减少之后研磨的时间与由于研磨而浪费的GaN

实现了对又脆又硬GaN的高速切割

因为是利用可以透过GaN基板的激光，即使是已经芯片化的GaN基板也可以通过背后入射的方式，只对芯片化的GaN层进行切割。并且，由于没有大的震动和应力作用，切割下来的GaN芯片能够正常工作。

研究背景和内容:

高效使用电力对于无碳社会和可持续发展社会是必不可少的。在用于有效利用电力的电子设备中，功率半导体【1】和使用功率半导体的器件(功率电子学)【2】目前备受关注。新能源汽车，高铁中的高效供电设备，将太阳能发电和风力发电等绿色能源进行电力转换的设备，甚至个人电脑、手机充电器等设备中都有GaN的影子。然而，由于GaN晶体难以生长，晶体又硬又脆不便于加工，导致加工出来的GaN晶圆价格相当昂贵。这些都限制了其作为功率器件的应用前景。

本研究中开发的激光切割GaN法，有望取代传统的线锯切割【3】技术。如下图所示，在使用线锯进行切片的时候，由于GaN很脆，线锯切割处的结晶很容易被破坏形成锯齿状的缺陷。所以需要切割出很厚的GaN片，以便后期打磨加工消除锯齿层。这种加工方法造成了GaN晶圆的产率非常低，大概有一半的GaN被浪费掉（图1，左）。

图1.线锯切割（左）和激光切割（右）GaN的概念图;激光切割可能获得数量更多的GaN晶圆

然而， 本研究中开发的激光切片技术利用的GaN的解理性【4】，可以切出表面相对平坦的GaN晶圆。所以如图1所示，激光切割法比传统方法能够不浪费原料，获得更多的GaN晶圆（图1右）。

另外，因为是利用可以透过GaN基板的激光，即使是已经芯片化GaN基板也可以通过背后入射激光，只对芯片化的GaN层进行切割（图2上）。并且，由于没有大的震动和应力作用，切割下来的GaN芯片也能够正常工作（图2下）。

图2. 上：在GaN衬底上制作的芯片，可以通过背面入射激光的方式进行切割。经过打磨后，继续制作芯片

下：通过激光加工的薄片化，个片化芯片的仍能有效工作。（从2英寸的基板上切割出5mm，50um芯片的样子）

该研究的成果和意义：

GaN结晶是非常高价非常脆的材料，本研究开发的GaN切割法高速，并且能够抑制GaN在切割上的材料浪费。不论是材料方面还是切割的时效方面都对于GaN基板价格的低廉化有贡献。

另外,不仅仅是GaN晶圆切片，因为激光加工法震动小，应力少，所以芯片化后的薄片化，以及个片化都有可以使用。这些都对于GaN产品的低价格化都是异常重要的。

用语解说：

【1】功率半导体：功率半导体是能够支持高电压、大电流的半导体。具有不同于一般半导体的结构，在使用高电压、大电流时也不会损坏。SiC，GaN，Ga2O3以及金刚石都是功率半导体材料。

【2】 功率电子学：功率电子学，主要是指应用于电力领域中的电子技术，即使用高功率之固态电子器件（功率半导体元件）针对电能进行转换与控制，以提供负载所需形式之电压或电流的电子技术。

【3】 线锯切割：多线切割是一种通过金属丝的高速往复运动，把磨料带入半导体加工区域进行研磨，将半导体等硬脆材料一次同时切割为数百片薄片的一种新型切割加工方法。数控多线切割机已逐渐取代了传统的内圆切割，成为硅片切割加工的主要方式在（下图）。

【4】 解理性：晶体的晶格按某种特殊结构排列并形成薄弱面的表现。受力后会沿一定的方向形成光滑面的特性，与断口互为消长。

线锯切割模式图

研究论文

论文题目：

Smart-cut-like laser slicing of GaN substrate using its own nitrogen　　　　　　　
DOI：10.1038/s41598-021-97159-w
URL：https://www.nature.com/articles/s41598-021-97159-w

论文题目：

Laser slice thinning of GaN-on-GaN high electron mobility transistors
DOI：10.1038/s41598-022-10610-4

URL：https://www.nature.com/articles/s41598-022-10610-4