GaN on Si 磊晶技術應用於發光二極體與功率元件現況：材料世界網

GaN on Si的瓶頸
Si 材料做為GaN磊晶層的基板有許多優點，如晶體質量高、尺寸大、成本低、易加工、良好的導電性、導熱性及熱穩定性等。然而，Si與GaN間先天上在晶格不匹配度與熱膨脹係數分別有17%與46%的極大差異，晶格常數的差異將導致過多缺陷（如差排）的產生並穿越量子井，進而嚴重影響量子井的內部發光效率；而Si在熱膨脹係數的差異遠高於在Al₂O₃基板上，此差異將在GaN-based磊晶層於Si基板上成長結束降溫時，因GaN與Si的收縮差異大，極易造成薄膜的龜裂(Crack)現象；另一方面，Si的能階遠小於Al₂O₃與GaN，因此容易吸收電子電洞對復合後所發出的光（高於30%）；綜上所述，如何解決熱膨脹係數的差異與吸光問題，實為目前各國際大廠所面臨的問題。

GaN on Si的磊晶觀念
由於GaN與Si基板之間熱膨脹係數差異遠較其與Al₂O₃大(34%)，這將造成GaN磊晶薄膜於生長結束後之降溫過程中，會因張應力過大而產生晶片彎曲及龜裂現象，進而降低元件之良率；再者，GaN on Si之彎曲方向與GaN on Al₂O₃方向相反，因此GaN on Si之成長條件與GaN on Al₂O₃迥然不同。

圖一為GaN on Al₂O₃與GaN on Si的即時曲率圖比較，由此可發現，GaN on Al₂O₃每一層的曲率皆是在Tensile Stress方向，因GaN與Al₂O₃之熱膨脹係數差異較GaN on Si小且Al₂O₃硬度遠較Si大，於降溫時，基板不易破裂；反之，GaN on Si的熱膨脹係數差異大，必須藉由各層材料間的晶格常數調整以補償其差異，使其於降溫時減少Tensile Stress的產生造成晶片破裂。因此，即時曲率圖為GaN on Si磊晶技術最關鍵部分，它是藉由兩層磊晶層間彼此晶格常數差異造成的壓張應力，以即時觀察此時材料的曲率，並適時給予一定厚度用以補償於降溫時，熱膨脹係數所主導的應力變化，以獲得高品質、無龜裂之GaN on Si晶片。

GaN on 6〞Si之現況
圖二為厚度之光激光(Photo-Luminescence; PL)分析，由此可發現GaN之平均厚度可達5 μm，且Standard Deviation僅為14.1%。然而，GaN與Si間的晶格常數差異難以在舒緩應力的同時兼顧缺陷的控制，因此如何以最簡便的方法並降低對曲率控制的影響實為一大困難點，我們選擇使用SiN_x In-situ Mask，這是因為在MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition)磊晶系統中有Silane的氣體，其與NH₃反應可即時形成SiNx，因此廣泛應用於GaN on Si 的磊晶技術中。圖三為GaN on Si 有無引入 SiNx In-situ Mask的穿透式電子顯微鏡圖，由此可發現，在未引入SiNx In-situ Mask時，許多穿隧差排由 Si 與 AlN 的界面開始往上延伸，多數的差排形成區域集中於 Si 與 AlN 的界面，這是因為 Si 與 AlN 晶格常數差異極大造成；為了減少差排，我們將SiN_x In-situ Mask做為阻擋大部分差排的工具，由此可發現，大量的穿隧差排有效且大量被SiN_xIn-situ Mask所阻擋。

圖四、引入SiN_x In-situ Mask之GaN on Si之X-ray(002)半高寬分析