大尺寸磊晶技術突破 GaN-on-Si基板破裂問題有解

近年來氮化鎵（GaN）系列化合物半導體材料已被證實極具潛力應用于液晶顯示器（LCD）之背光模組、光學儲存系統、高頻與大功率之微波電子元件等商業用途。然而，目前商品化的氮化鎵系半導體光電元件均以藍寶石（Sapphire）與碳化矽（SiC）基板為主，且重大基本專利掌握在日本、美國和德國廠商手中。有鑒于專利與材料種種問題，開發矽基氮化鎵（GaN-on-Si）磊晶技術遂能擺脫關鍵原料、技術受制于美日的困境。

　　以矽半導體成長氮化鎵磊晶薄膜不僅有低成本、大面積與高導電（熱）基板等等的優勢，更可進一步與高度成熟的矽半導體產業結合成光電積體電路（IC），配合晶粒制程技術包括蝕刻、黃光、金屬電極鍍膜、研磨及切割，在不同元件領域以橫向分工、垂直整合的不同策略進行開發，以加強國內在關鍵光電元組件自主研發、產銷之能力。

　　由于目前氮化物材料系統并沒有低價商品化的GaN或氮化鋁（AlN）單晶塊材做為基板，所以氮化物材料必須成長在藍寶石、碳化矽、矽等異質基板材料上。

　　以GaN-on-Si為例，由于氮化鎵材料與矽基板間的晶格常數并不匹配，加上熱膨脹系數的差異，若將氮化鎵薄膜材料直接生長在矽基板上，薄膜會因與基板間的晶格常數差異過大而導致薄膜內的缺陷密度非常高，進而降低元件效率，所以通常在兩者之間須搭配一層緩沖層材料。氮化鋁薄膜材料由于具有寬能隙、高熱穩定性及高散熱性，同時與GaN薄膜的晶格可做應力互補，所以極適合做為GaN-on-Si的緩沖層材料。

　　在GaN-on-Si磊晶技術研發中，重點開發項目包括高品質的氮化鋁緩沖層薄膜材料與氮化鋁鎵（AlGaN）/氮化鎵超晶格（Superlattice）低缺陷密度緩沖層技術，同時發展各種提升發光二極體（LED）效率之關鍵技術，以相輔相成，迎頭趕上先進國家之技術水準。

　　緩沖層的角色除緩沖氮化鎵材料與矽基板間的應力外，也提供氮化鎵薄膜材料成核與成長的介面環境，所以緩沖層的品質會直接影響到元件效率。生長GaN-on-Si的方法很多，包括原子束磊晶（Molecular Beam Epitaxy， MBE）和有機金屬化學氣相沉積（Metal-organic Chemical Vapor Deposition， MOCVD）等，然而，目前技術最成熟者主要有下列幾種方法--氮化鋁成核層（AlN Seed Layer）、低溫氮化鋁中間層（Low-temperature AlN Interlayer）、含有非晶層之基板（Substrate Containing Amorphous Layer）、圖型化矽基板（Patterned Si Substrate）、氮化鋁鎵緩沖層及氮化鋁鎵/氮化鎵超晶格結構（AlGaN Buffer Layer and AlGaN/GaN Superlattice Structure）。

　　大尺寸氮化鎵磊晶片制作良率不高，導致元件成本無法大幅降低，而影響良率之因素在于氮化鎵磊晶薄膜與矽基板間之膨脹系數的差異，造成應力釋放不易，導致磊晶層破裂（圖1），且利用晶圓貼合（Wafer Bonding）技術與雷射剝離（Laser Lift Off）系統達成基板分離的技術所需設備昂貴且良率不高，因此，開發高品質GaN -on-Si成長技術關鍵，在于能有效地控制介面應力之不良影響，且避開利用晶片貼合與雷射剝離等繁瑣制程，制作高品質大尺寸且表面無破裂之GaN-on-Si磊晶片。

圖：氮化鎵與矽之磊晶晶格排列關系圖

　　磊晶的生長溫度是決定GaN-on-Si薄膜臨界厚度的最大關鍵因素，以MBE生長系統而言，于790℃直接生長GaN/AlN/Si試片，其薄膜之臨界厚度可超過3微米（ μm）。薄膜臨界厚度的關鍵不僅是生長溫度，直接高溫下生長的GaN磊晶薄膜會因氨氣與矽表面反應形成無結晶方向性的氮化矽（SixNy）介面，使得磊晶品質降低，因此氮化鋁緩沖層品質也是關鍵。目前MOCVD生長系統也有多種方法可以克服膨脹系數差異所帶來的應力問題。

　　氮化鋁成核層

　　根據研究結果顯示，在氮化鎵薄膜生長前預先成長20？30奈米（nm）的氧化鋁成核層可提高氮化鎵薄膜的品質，然而在生長氮化鋁成核層之前，可預先成長幾個原子層的鋁元素于矽基板之上做為阻擋層，此舉可防止氮化矽介??面的形成。做為光電元件用途的氮化鋁成核層厚度須精心調整，因成核層太薄會形成氮化鋁島狀成長，太厚則造成表面粗糙，兩者都會對氮化鎵薄膜品質有決定性的影響。利用開發高品質氮化鋁成核層材料，將有助于得到理想的成核層（Nucleation Layer），并有效降低因磊晶膜晶格不匹配所形成的應力與缺陷密度（Defect Density），達到改善元件效率，以符合未來LED照明規格，因此在研發過程中須藉由低溫氮化鋁成長的控制、介面工程技術與氮化鋁成核層成長后退火（AlN Nucleation Layer Post-annealing）等核心關鍵技術，以獲得所需之高品質緩沖層材料。