目前Aixtron正在進行GaN基板生產製程的新技術開發，透過引入垂直式氫化物氣相沈積法(HVPE)設備就可以加速獨立式GaN基板技術的商業化腳步，利用此最新技術可以得到一個懸吊式的晶種夾持器，然後就可以用它來製作出直徑2吋大的胚晶。

Bernd Schineller

　目前在GaN光電領域，舉例來說像是405nm的高功率雷射二極體，紫外光與藍光的發光二極體等等元件的缺陷都會導致輸出光源的亮度降低，並且在高電流密度的情況下容易產生失效損壞的情形。為了要解決這一類的問題，許多光電元件製造商嘗試利用一些相當複雜精巧的緩衝方式來進行異質基板上的元件成長製程，希望這樣可以降低磊晶層內的缺陷密度。不過即使光電元件製造商們利用最具有效率的技術—磊晶層橫向附晶成長方式來進行製程，雖然得到了較低的缺陷密度，卻也同時付出了不小的代價。因為這種技術的製程步驟相當繁複，比起原先的方式要來得昂貴與複雜許多，同時利用此種製程所生產的光電元件其可用的晶圓區域也相對比較小一些，上述的這些因素都會傷害到生產的良率。

　這些缺點突顯出業界目前對於獨立式GaN基板技術的強烈需求，因為有了該項技術的支援光電元件製造商就可以獲得低差排密度的GaN基板。目前在這個領域中已經有許多研究的結果顯示出技術上我們可以利用許多種不同的製程得到低差排密度的基板；像是透過引入氫化物氣相沈積法(HVPE)、高壓溶液成長法、氨熱法、物理氣相傳輸以及昇華成長法等等都是可行的方式。

　今日，氫化物氣相沈積法(HVPE)是上述幾種可以生產獨立式GaN基板製程中最受到歡迎的一種技術，因為該製程已經算是相當成熟，加上對於製造商來說此製程的可控制性相對較高且成長率也是大量量產上可以接受的範圍。目前在世界上有幾家GaN基板的製造公司都正在使用這種技術進行生產，他們會利用這種技術進行藍寶石異質板材上的單片晶圓或是多片晶圓成長製程。

　事實上，嘗試去擴展這個成長製程並且藉以生產出幾公分厚的胚晶是相當符合邏輯的。目前這樣的製程確實也在一些美國與亞洲公司的努力之後獲得實現了。接下來可以在這些胚晶尚未被拋光之前利用線鋸機將其切割成一塊塊的基板。除此之外，這些基板之中的某一片也可以被用來做為接下來其他成長製程所需的晶種，這樣的作法可以使整個製程中的母材料具有相當穩定的差排特性，同時也可以允許晶格匹配材料的成長。

　從上述的優點來看，利用氫化物氣相沈積法(HVPE)所成長的基板是相當吸引人的，不過也要注意到幾項製程上可能面對的問題，像是GaN成長的副產物－氯化氨，它會在低於溫度340 ℃的時候形成具有腐蝕性的灰塵。這些灰塵必須要被保持在遠離GaN成長的區域，否則它就會對GaN胚晶或是排氣系統造成污染，這對於製程來說可能會造成妨礙的效果，換言之它將會影響GaN的成長效率，使得本來就已經很冗長的長晶製程變得更久。

　對位於德國阿肯的Aixtron來說，我們也已經開發出一種垂直式氫化物氣相沈積法(HVPE)的腔體可以解決上述的腐蝕性氯化氨灰塵生成問題。這套新的設備可以用來生產2吋直徑的GaN胚晶，如果使用每小時幾百微米的速度進行成長的話，目前可以到達的最大厚度是7cm，圖一所示為本公司目前所發展的設備。這個反應腔體是本公司在今年所發表的，主要特性是胚晶懸掛於反應腔體中，由頂端面向腔體下方的底部。這樣的設計可以避免任何的氯化氨灰塵掉落到長晶表面上，對製程造成不好的影響。旋轉的胚晶能夠以一固定速率進行收縮與移動，如此一來就可以在氣體進口與成長表面之間持續維持一個相同的距離。

　在本公司發表這套量產設備之前，我們建造了兩套相似的原型機系統，它們的腔體幾何尺寸原則上都是相當的。這兩套設備一個被安裝在位於瑞典的Linkoping大學，另外一套則是被安裝在位於德國柏林的柏林卡爾•費迪南德•布勞恩高頻技術研究中心。在Linkoping大學進行實驗的研究人員試圖對氫化物氣相沈積法(HVPE)的材料成長品質做出評核。他們利用原子力顯微鏡來檢視利用相同製程參數在藍寶石基板上所長成250 μm厚與2mm厚的GaN品質和表面型態(圖二)。從結果中他們發現到增加成長厚度雖然會造成成長表面型態的改變，不過並不會影響膜材本身的粗糙度。研究結果顯示不同厚度的膜材表面粗糙度在10 μm X 10 μm的掃瞄尺寸之下可以維持3 nm左右，而且表面上最高點到最低點之間的落差約莫是10到15 nm左右。膜材表面粗糙度的變化程度不大顯示出膜材本身的品質並沒有被成長製程所影響。如同我們所預期的，增加的GaN成長可以減少磊晶層的缺陷密度，蝕孔密度從厚度250 μm的2 x 106 cm-2降低到厚度2 mm的 5x105 cm-2。這也意味著較厚的胚晶並不只是生產出較多的晶圓，同時也可以降低晶圓的缺陷密度。

　我們目前正在持續地進行各式各樣的研究實驗與發展技術以改善這個GaN的氫化物氣相沈積法(HVPE)設備與其製程。上述的研究成果最終將會提供GaN元件特性上一個相當大的改善，同時包括本公司在今年稍後將於FBH安裝的次世代量產系統也會因此而提升其性能。這個次世代的量產設備原則上將會跟我們原有的商業化氫化物氣相沈積法(HVPE)腔體相當類似，不過在氣體進氣口還有基板夾持裝置的設計配置上將會有一些不同，我們主要利用這兩個經過改善後的設計來增進胚晶結晶線的品質。一旦這個目標被實現之後，我們就會開始將研發重心轉向較大直徑材料成長製程的研究，最後的目標則是三元AlGaN材料的成長製程技術開發。CSOT

深入閱讀
請詳見以下幾篇文章：
l C Hemmingson et al. 2006 Superlattices and Microstructures 40 205.
l A Kasic et al. 2005 J. Appl. Phys. 98 073525.
l T Paskova et al. 1999 Phys. Stat. Sol. (a) 176 415.

作者
Bernd Schineller是Aixtron’s研發專案部門的經理，他主要是負負責Aixtron’s公司內部關於國家性與歐洲方面贊助研發專案的經營管理工作，同時也是新技術開發與原型機設備發展專案的主要負責人。本文所提及的一些內容有部分是來自於BMBF所贊助的研發專案，合約號碼是01BU404和01BU0623。我們謹在此向位於瑞典的Linkoping大學以及位於德國的FBH柏林兩個單位對於本文中實驗工作的支持表達感謝之意。

圖一：顯示的是Axitron公司在今年第一次發表的氫化物氣相沈積法(HVPE)系統，這一套設備主要是以該公司先前的原型機作為基礎所改良的。(a)從設計圖中可以看出該設備包含了一個晶種固定器，此固定器是懸吊在沈積腔體頂端與腔體底部氣體進氣口之間。(b)氣體通入沈積腔體(主要是通入氯化鎵還有氨氣)之後就會被鞘流所分開來，直到它們抵達了沈積區域為止。同一時間系統內部也會有額外加入的內牆清潔流體來避免反應腔體內牆上產生不必要的沈積現象。本設備提供兩個獨立的無線射頻(RF)加熱器來保持腔體的溫度。反應腔體外圍的線圈會在石墨加熱器元件上產生電流，利用這個機制可以有效地將熱量傳導到鎵材料本身與沈積成長區域內。利用位於本設備腔體上方與下方的閘門就可以進行鎵材料的補充置換，而所沈積的GaN晶種和最後的產出胚晶也可以相當容易地被取出。至於製程中所產生的副產品像是氫氣，氯化氫還有氯化氨等等都會迅速地透過一個特別設計的排氣岐管系統所排出，其溫度大約都被控制在340℃左右。這一步製程可以延遲一些無法避免的帶有氯化氨成分微塵產生，直到氣體到達了系統中設置於反應腔體下游遠處的高效能濾淨器後這些微塵就可以被濾心阻隔下來。因為有這個系統濾淨器的設計存在，我們就可以持續的進行沈積製程，而不用擔心停下設備來進行一些維修排氣岐管系統或是重新充填新的鎵材料會耽誤生產的時程。

圖二：本圖形(a)與(b)所表示的分別是250 μm與2 mm厚度GaN磊晶層的原子力顯微鏡量測結果。由圖中可以看出增加的GaN材料成長會改變基材的表面形態，但是卻不會使得基材表面產生退化的現象。這些膜材將會在藍寶石基材表面的GaN材料上開始成長，這些圖片的Z軸尺度是25 nm。