GaN光电半导体原理NewWord文档格式.docx

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3.GaN緩衝層……………………………………...…..14

4.AlN與GaN緩衝層之比較………………….……...15

三、n-typeGaNandp-typeGaN…………………………..……..17

（1）n-typeGaN…………………………………………….…….17

（2）p-typeGaN……………………………………………….….18

四、心得與建議……………………………………………………….22

一、前言

由於Ⅲ－Ⅴ族半導體具有直接能隙，適合發展發光元件，如發光二極體或半導體雷射等。

而朝向更高亮度、更節省能源、更加方便、顏色種類更多是研究者的最終目的。

氮化鎵（GaN）具有大的能階差以及直接能隙等優點，是現今製作藍綠光到紫外光的最好材料，而且氮化鎵（GaN）可以忍受非常高的長晶溫度（1000℃以上）、可以得到品質相當不錯的Film、硬度高所以試片不易受傷或破裂。

成長氮化鎵（GaN）的基板（Substrate）最好的選擇當然是使用氮化鎵的基板，但是氮化鎵基板製作的困難尚未克服，雖然日本的住友電工已在今年四月發表成功開發出單晶的氮化鎵基板，但是其品質、適用性與價格是否能夠符合要求仍是一個問題。

因此目前仍然是使用其他材料的基板來成長氮化鎵，目前常用的基板有氧化鋁（Al2O3）即藍寶石（Sapphire）基材、碳化硅（SiC）、砷化鎵（GaAs）、硅（Si）、氧化鋅（ZnO）、氧化鋁鎂（MgAl2O4）…..等。

使用最多的是藍寶石（Sapphire,Al2O3）基材，其原因是適用範圍大、容易清洗、處理以及有六角柱狀對稱結構（hexagonalsymmetry）、並且在氮化鎵長晶溫度（1200℃）下非常穩定以及價格便宜等等優點。

雖然藍寶石（Sapphire,Al2O3）基材具有以上許多優點，但是由於氮化鎵和藍寶石基材的晶格常數相差約16.1%，而且兩者的熱膨脹係數也是相差很大（見下表一），所以在成長的過程中便會產生很多缺陷，使得成長的品質下降。

另外由於藍寶石基材是絕緣材料，因此無法將電極製作在晶片的上下兩面，只能在單面形成正極與負極，不但耗費時間，還增加了很多成本。

材料

結構

晶格常數（埃）

熱膨脹係數（*10-6/K）

氮化鎵

GaN

Wurtzite

a=3.189

c=5.185

5.59

7.75

氧化鋁

Al2O3

Corundum

a=4.758

c=12.99

7.28

8.11

表一：

氮化鎵與氧化鋁之基本條件

以下介紹幾種成長氮化鎵的方法與其優缺點：

（1）HVPE（hydridevaporphaseepitaxy,氫化物氣相磊晶）

使用含鎵（Ga-containing）如GaCl3、Ga（CH3）3等以及含氮（N-containing）的氣體平衡混合物（equilibriummixturegas）在1000℃下形成GaN沉積在藍寶石（Sapphire）基材上。

缺點：

1.成長速率太快（severalμm/min），厚度不易控制。

2.因為反應會形成鹽酸（HCl），會與反應物互相作用，所以不易

得到高純度結晶的GaN。

（2）MBE（molecularbeamepitaxy,分子束磊晶法）

優點：

1.可以控制成長時之組成。

2.容易監控。

1.無法累積足夠的氮原子與Ga的來源進行反應。

2.成長速度太慢（0.1μm/hr）。

圖一：

MBE之設備示意圖

（3）ECR（electroncyclotronresonance,電子迴旋共振）

利用電漿激發（plasmaexcitation）來獲得足夠的氮原子。

1.適用於成長p-typeGaN。

2.可得到高結晶度的GaN。

（4）MOCVD（metalorganicchemicalvapordeposition,有機金屬氣相沉積法）

將有機金屬之氣體Trimethylgallium（TMG,Ga的來源）與Ammonia（NH3,N的來源）一起通入，在高溫下形成GaN沉積在藍寶石（Sapphire）基材上。

1.可以得到高品質的GaN薄膜。

2.可兼顧到速度（產量）及品質的方法。

1.在反應氣體（reactivegas）尚未接觸到基材之前，容易產生pre-reaction，因此如何將pre-reaction降至最低是相當重要的關鍵。

下圖為MOCVD之系統示意圖：

圖二：

MOCVD之系統示意圖

二、GaN成長在有無緩衝層（Bufferlayer）的藍寶石基板上

（1）TF-MOCVD（two-flowMOCVD）

目前幾乎都是使用MOCVD來成長GaN，但是傳統的MOCVD機台並無法長出品質夠好的GaN薄膜，因此本書的作者ShujiNakamura便開發出另一種MOCVD的機台來改進之前傳統機台的缺點，其中最主要的不同點是之前傳統機台都是使用單流進料的方式，而Nakamura將其改成雙流進料的方式，雖然反應物和之前一樣都在同一管路，但卻多了另一管路。

主要的管路（mainflow）是以氫氣（H2）作為載流氣體（carriergas），主要是運送TMG（trimethylgallium,Ga（CH3）3）及Ammonia（NH3）兩種反應物，另一管路（sub-flow）則是含有氫氣（H2）及氮氣（N2）的混合氣體，因此Nakamura稱之為TF-MOCVD。

下圖為TF-MOCVD的系統示意圖：

圖三：

TF-MOCVD的系統及原理示意圖

由圖中可看出TF-MOCVD的腔體（chamber）是以不鏽鋼製成，溫度是由置於旋轉晶座（rotatingsusceptor）下方的熱電偶（thermocouple）所控制，Main-flow是由與susceptor平行的石英噴嘴（quartznozzle）噴出，Sub-flow則是由置於上方之圓錐形石英（conicalquartztube）噴出，另外紅外光輻射溫度計（IRradiationthermometer）則是置於斜上方，偵測波長為0.96μm。

由於GaN的成長溫度在1100℃左右，在如此高溫的情況下，熱對流（thermalconvection）相當嚴重，因此一般傳統的MOCVD機台都是以高流速（reactivegas,5m/s）或是以垂直方向噴射至基材（Substrate）的表面來抑制熱對流，而在如此高的流速之下便會使氣體以亂流（Turbulentflow）方式流動。

但是基本上在CVD的製程並不希望氣體以擾流方式流動，因為擾流會揚起Chamber內的微小粒子或微塵，使GaN的品質受影響，因此大多數的CVD設計都傾向於使氣體在Chamber內的流動以層流（Laminarflow）進行，使反應的穩定度提高。

雖然傳統的MOCVD其reactantgas的流速相當高，但是若reactantgas是以與substrate平行的方向吹入，熱對流會阻止reactantgas與substrate接觸，導致在substrate上幾乎不會有成長，因為這個原因Nakamura便增加了另一個Flow，即sub-flow來抑制熱對流。

由圖三可以看出sub-flow是由上往下吹，可以使與substrate平行通入的reactantgas在接近substrate時由於sub-flow的關係使反應氣體的方向改變而增加接觸，通常sub-flow只要0.2m/s的流速便能均勻且有效地壓制熱對流，如此一來反應氣體的流速也可以從之前的5m/s降至0.5m/s。

經過實驗，sub-flow的氣體流速最低是0.2m/s，低於此流速會使結晶品質變差。

另外sub-flow也可阻止反應氣體接觸石英管而避免污損的功能。

但TF-MOCVD由於sub-flow只能提供10（liter/min），無法達到0.2m/s的要求，因此採用混合氣體來達到此一目的，選擇氮氣的原因應該是氮氣的反應性低以及價格較便宜的關係。

（2）即時膜厚偵測系統

在TF-MOCVD中扮演相當重要角色的膜厚偵測系統是利用窄範圍的紅外光輻射溫度計（IRradiationthermometer）偵測紅外光通過GaNfilm時因為干涉效應而產生振盪（oscillation）與（intensity）變化來得知GaN的膜厚。

圖四：

CVD膜厚偵測系統示意圖

（3）霍爾量測（HallMeasurement）與VanderPauwMethod

由霍爾量測我們可以得到薄膜多數載子的濃度，而利用VanderPauw四方形試片量測電阻率的方法可量出電阻率，由此兩個參數便可算出載子的遷移率（mobility）。

在作霍爾量測時須將試片切成5mm×

5mm的正方形，以配合VanderPauwmethod，量測前必須用高溫焊槍將銦（In）球點在試片的四個角落製成歐姆接觸點，才能開始測量。

圖五：

霍爾量測系統示意圖

（4）光致發光（Photoluminescence,PL）

光致發光（PL）是一種非破壞性的量測技術，它可以有效地檢測出半導體中雜質的能階（Energylevel），特別適合用於檢測Shallowlevel和Deeplevel的雜質。

藉由PL的測量可以告訴我們關於雜質型態的一些訊息。

然而只有輻射藕合（radiativerecombination）的過程才會放出光子而被偵測到。

藕合（recombination）是指電子由導電帶至價電帶與電洞結合時，電子電洞對會消失的現象。

而藕合又分成輻射藕合與非輻射藕合，輻射藕合（radiativerecombination）是指當電子電洞結合時，其藕合能量是以光的形式釋放。

而非輻射藕合（nonradiativerecombination）是指其藕合能量是以熱或者其他形式釋放。

所謂的PL是指一個樣品經由能量高於能隙的外來光源（通常為雷射光，Nakamura所使用的是10mWHe-Cdlaser）的激發，使得原本在價電帶的電子有機會躍遷到更高能階，因此在原本的價電帶便留下一個電洞，而形成電子電洞對。

這個電子電洞對如果是以輻射藕合的方式結合，就可以形成一個光子，對於輻射藕合所發出之光，因為是由外來光源的激發而形成，通常稱為光致發光（Photoluminescence），如果是因為外加電流的激發所形成的輻射藕合，就稱為電致發光（Electroluminescence，EL）。

圖六：

PL實驗系統配置圖

（5）GaN成長在緩衝層（bufferlayer）的基板上

1、起源

A、Yoshida

現在為了能得到高品質的GaN，通常都是在藍寶石（Sapphire）基材上先長一層緩衝層，而這個想法一開始是由Yoshida想出來的。

他發現使用反應性分子束磊晶法（reactivemolecularbeamepitaxy）將GaN成長