翁雪萍 / 工研院材化所
化合物半導體晶體生長技術可分為體積晶體生長與薄膜磊晶兩大類。體積生長中，布里奇曼法與梯度凝固法因低溫度梯度(1~10 ˚C/cm)可製備低位錯密度晶體為主流技術；柴可拉斯基法雖常用於Ⅲ-Ⅴ材料，但位錯密度較高；而PVT法常用於碳化矽(SiC)晶體昇華生長，另有THM與助熔劑法等。薄膜磊晶則包括液相磊晶(LPE)、氣相磊晶（如：CVT、CVD、MOCVD、HVPE）及分子束磊晶(MBE)，廣泛應用於高品質GaN與AlN等材料製程。各種技術皆致力於優化化學計量、溫度與冷卻條件，以提升晶體品質並抑制缺陷產生。
【內文精選】
薄膜磊晶技術(Thin Film Epitaxy Techniques)
2. 氣相磊晶
(4) 氫化物氣相磊晶
氫化物氣相磊晶(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE)的基本原理是利用固態或液態的起始物與氣態組分在溫度梯度中反應，形成僅存在於氣態的產物。這些氣態中間產物會在較低的溫度區域（生長區）分解或在基板上反應，進而形成所需的晶體磊晶層。以氮化鎵(GaN)的HVPE生長為例，典型的反應物是三氯化鎵(GaCl3)和氨氣(NH3)。整體生長過程中，通常會在反應爐設置源區和生長區，維持不同的溫度（例如對於CuGaS2晶體生長，源區溫度可達1,173 K，生長區溫度約為1,023 K）以驅動化學反應和物質傳輸，可參考圖十三。
圖十三 HVPE流程圖
在HVPE生長中，基板的準備和選擇對最終磊晶層的品質有著決定性的影響，包含如下：
①基板材料的選擇：假設在藍寶石基板上生長GaN，基板的晶體結構和磊晶層之間的晶格匹配性，會影響位錯密度。
②精確的基板定位：基板相對於GaCl3: NH3的混合區距離很重要，因為磊晶層的厚度會隨著與混合區的距離增加而迅速減少，在一定距離之外甚至會完全停止生長。因此為了獲得均勻的磊晶，需要仔細並準確調整基板位置。
③生長溫度的最佳化：從文獻的實驗結果可發現一個現象，Ga薄膜的晶體品質與生長溫度密切相關。在950˚C和990˚C下生長的GaN薄膜呈現高c軸取向的單晶性質，而925˚C下則形成多晶結構（如圖十四），說明了控制生長溫度對於抑制多晶生長和確保單晶品質很重要。此外，文獻亦提到有觀察到在這些溫度之下，NH3的熱分解程度較低，進而影響可供反應的原子態氮的量。
HVPE透過控制氣相化學反應、溫度梯度和基板條件，能夠高效地生長高品質的Ⅲ-Ⅴ族氮化物半導體晶體，滿足其在先進電子和光電領域的應用需求---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十四 透過HVPE生長典型的GaN晶體及其晶體特性
★本文節錄自《工業材料雜誌》466期，更多資料請見下方附檔。