大尺寸磊晶技術(shù)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(dǎo)體材料已被證實極具潛力應(yīng)用于液晶顯示器（LCD）之背光模組、光學(xué)儲存系統(tǒng)、高頻與大功率之微波電子元件等商業(yè)用途。然而，目前商品化的氮化鎵系半導(dǎo)體光電元件均以藍(lán)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(fā)矽基氮化鎵（GaN-on-Si）磊晶技術(shù)遂能擺脫關(guān)鍵原料、技術(shù)受制于美日的困境。

　　以矽半導(dǎo)體成長氮化鎵磊晶薄膜不僅有低成本、大面積與高導(dǎo)電（熱）基板等等的優(yōu)勢，更可進(jìn)一步與高度成熟的矽半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)結(jié)合成光電積體電路（IC），配合晶粒制程技術(shù)包括蝕刻、黃光、金屬電極鍍膜、研磨及切割，在不同元件領(lǐng)域以橫向分工、垂直整合的不同策略進(jìn)行開發(fā)，以加強(qiáng)國內(nèi)在關(guān)鍵光電元組件自主研發(fā)、產(chǎn)銷之能力。

　　由于目前氮化物材料系統(tǒng)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(lán)寶石、碳化矽、矽等異質(zhì)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(shù)并不匹配，加上熱膨脹系數(shù)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(shù)差異過大而導(dǎo)致薄膜內(nèi)的缺陷密度非常高，進(jìn)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(wěn)定性及高散熱性，同時與GaN薄膜的晶格可做應(yīng)力互補(bǔ)，所以極適合做為GaN-on-Si的緩沖層材料。

　　在GaN-on-Si磊晶技術(shù)研發(fā)中，重點開發(fā)項目包括高品質(zhì)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(shù)，同時發(fā)展各種提升發(fā)光二極體（LED）效率之關(guān)鍵技術(shù)，以相輔相成，迎頭趕上先進(jìn)國家之技術(shù)水準(zhǔn)。

　　緩沖層的角色除緩沖氮化鎵材料與矽基板間的應(yīng)力外，也提供氮化鎵薄膜材料成核與成長的介面環(huán)境，所以緩沖層的品質(zhì)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(jī)金屬化學(xué)氣相沉積（Metal-organic Chemical Vapor Deposition， MOCVD）等，然而，目前技術(shù)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(jié)構(gòu)（AlGaN Buffer Layer and AlGaN/GaN Superlattice Structure）。

　　大尺寸氮化鎵磊晶片制作良率不高，導(dǎo)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(shù)的差異，造成應(yīng)力釋放不易，導(dǎo)致磊晶層破裂（圖1），且利用晶圓貼合（Wafer Bonding）技術(shù)與雷射剝離（Laser Lift Off）系統(tǒng)達(dá)成基板分離的技術(shù)所需設(shè)備昂貴且良率不高，因此，開發(fā)高品質(zhì)GaN -on-Si成長技術(shù)關(guān)鍵，在于能有效地控制介面應(yīng)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(zhì)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(guān)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(guān)鍵因素，以MBE生長系統(tǒng)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(guān)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(yīng)形成無結(jié)晶方向性的氮化矽（SixNy）介面，使得磊晶品質(zhì)降低，因此氮化鋁緩沖層品質(zhì)也是關(guān)鍵。目前MOCVD生長系統(tǒng)也有多種方法可以克服膨脹系數(shù)差異所帶來的應(yīng)力問題。

　　氮化鋁成核層

　　根據(jù)研究結(jié)果顯示，在氮化鎵薄膜生長前預(yù)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(zhì)，然而在生長氮化鋁成核層之前，可預(yù)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(diào)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(zhì)有決定性的影響。利用開發(fā)高品質(zhì)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(yīng)力與缺陷密度（Defect Density），達(dá)到改善元件效率，以符合未來LED照明規(guī)格，因此在研發(fā)過程中須藉由低溫氮化鋁成長的控制、介面工程技術(shù)與氮化鋁成核層成長后退火（AlN Nucleation Layer Post-annealing）等核心關(guān)鍵技術(shù)，以獲得所需之高品質(zhì)緩沖層材料。