Ruben Lieten

　基材成為氮化物成長的另類選擇；然而，獨一無二的網狀比例的確能有效的幫助製造高品質的GaN於此一平台上，IMEC的Ruben Lieten如是說。該技術的開發能夠無限制的帶領我們朝向更有效率且更強大的HBT邁進。

　鍺基材成為氮化物成長的另類選擇；然而，獨一無二的網狀比例的確能有效的幫助製造高品質的GaN於此一平台上，IMEC的Ruben Lieten如是說。該技術的開發能夠無限制的帶領我們朝向更有效率且更強大的HBT邁進。

　作為成長氮化物的GaN基材，由於高成本與低應用性的缺點，使得業界持續研發更多適用且效果佳的基材，如藍寶石、SiC和Si；這三種可選擇的基材能夠提供難以數計的元件，但每一單元的中間層必須能插入該元件結構，使其能精確的符合晶格間隙與熱失配(如表格所示)。即便額外的緩衝層僅僅扮演促進LED製造生產的角色，但它們仍使得異質結構元件如：GaN HBT能夠與基材直接接觸。這是因為它們抑制了異質接面的形成，該異質接面是介於上層、高品質層、GaN層和基材之間。

　此特殊的限制製程是由我們的研究團隊，位於比利時的Interuniversity Micro Electronics Center(IMEC)所開發出來的，該技術最終提供我們開發InGaN基底的光電解電池，並使用太陽輻射來分解水。該型態的元件的確擁有諸多的好處，接觸活性的InGaN層的傳導基材能夠提供良好的設計。

　我們所從事開發的氮化物平台乃著重在「鍺」(111)的材料上；從原理上看來，與GaN晶格失配20%是建議的最佳值，且最具有生成高品質薄膜的挑戰性。然而，若我們能克服此障礙，我們將能獲得「鍺」所帶來的其他優異的性質。其中包含了相對低的能隙，該特性能帶領我們獲得更佳的熱均勻性以幫助MBE的成長，使得原本的在矽晶圓上的氧化層能夠輕易的被去除掉，且與GaN的熱錯位效應在試片成長完成後的冷卻階段，能避免形成大面積的熱應力狀況產生。

　原來GaN真的能夠在「鍺」金屬上直接成長高品質的薄膜，或許是因為有一個非常適合的介面介於鍺和GaN之間的晶格(見圖一)。使得兩個六角形結構之間的金屬網比例接近 5：4，而兩材料間的晶格錯位僅僅為+0.4%。

　我們選用合適的Riber工具並利用MBE的方式生產薄膜，該工具乃是Oxford Applied Research的氮氣電漿源(參見圖二)。若是應用一般的MOCVD技術，將不適用於此種材料系統，因為高品質的GaN要求反應器溫度必須介於1000–1100℃之間，而鍺金屬會在940℃時融化，若是使用MBE則不會有這種問題，因為磊晶製程將會於800℃以下的溫度下完成。

　我們描述我們矽晶圓上的鍺成長GaN使用了多種不同的技術，反射高能量電子波(Reflection high-energy electron diffraction，RHEED)顯示出開始成長之後，伴隨者形成平坦的表面，持續呈現不連續的轉態變化；次成長的薄膜經由X-ray繞射在38nm厚的薄膜上作量測，確認此材料擁有良好的結晶性質。X-ray在同一試片上掃瞄全廣域的GaN晶格所量測出的曲線的最大範圍為371 arcsec，此結果顯示該結晶性可與在藍寶石上或矽晶圓上所成長的GaN相比較。除此之外，「ω-2θ」在同一試片上掃瞄結果亦顯示GaN－鍺介面之間仍然擁有良好的品質，電流—電壓量測值在我們的材料上也同時改善了n-type GaN在 p-type鍺金屬上的作用(見圖三)。

　這一系列的研究發表了高品質的GaN薄膜直接成長在111的鍺上，且無須使用中間層的方式。當使用此方式，GaN會受到輕微的壓縮應力而導致兩介面之間的熱錯位，而該熱錯位僅僅5.5%而已。這是因為GaN能承受在鍺金屬上的「表面濕潤」，且無化學反應發生介於鎵和鍺金屬之間，兩材料之間仍擁有高品質的接合介面。

　這些結果是非常振奮人心的，但仍有兩個問題需要解決；第一個是GaN層總是呈現N-型的特性，有可能是因為些許的鍺擴散所導致，不過實際引起N-型摻雜的原因仍未知，但也有可能是從鍺表面成長蝕刻不純物的過程所造成的。這是經由二次離子質譜儀量測所得知的，該結果顯示任何的擴散介於鎵和鍺原子之間是非常有限的，然而，即便是極微小的擴散從鍺到GaN，仍然會造成令人憂心的濃度變化。

　其他我們目前所遭遇到的缺陷問題則是GaN在鍺金屬表面的試片兩介面之間擁有4°的偏移，此乃根據穿透式電子顯微鏡(TEM)和X光繞射光譜曲線所得的。無論如何，解目前的問題必須仰賴轉換成111的鍺基材。

　如此便能成長氮化物基底的結構於鍺基材上，該基材能使用背面接觸於垂直的元件上。接合面可形成n-type GaN和p-type鍺，或是p-type GaN和n-type鍺，並能應用於相關元件如 HBT、LED、異質接合的太陽能電池和異質接合的二極體等。

　HBT能夠經由成長n型摻雜的GaN在p-type和n-type的鍺金屬上(圖四)，如此便可創造一元件，且該元件的能階差於GaN-Ge的異質接合為2.7 eV，遠大於Si/SiGe、InP/InGaAs和AlGaAs/GaAs，它們所擁有的能階差分別僅有0.2、0.7和0.3 eV。

　介於GaN和鍺之間巨大的能階差能提供非常大的直流電流，或轉換成發射出濃度摻雜的能量。高能量的濃度摻雜能帶來兩個好處：切斷阻抗，導致低能量消耗以及更快的切換速度；另外則會幫助增加壓縮電壓，能縮短基底寬度，提昇切換速度。

　還有更多的方式可以用來提昇切換速度與降低能量損耗，較大的能階差亦能夠抑制發射體的傳輸時間，其能增加切換速度，當鍺金屬能階非常小的時候，能夠切斷電晶體發射器的操作電壓和降低該能量損耗。

　GaN在鍺金屬上的HBT應該也會對本身帶來好處；鍺的電子移動效率，最關鍵的因素乃 NPN HBT表現，為3900 cm2/Vs，且該材料的表面重組速度低於GaAs和InP。這意味著GaN在鍺金屬HBT上將不會受到弱低電流和非理想特性而影響其他元件。

　這些所有的特質都非常的令人信賴。然而，我們可以釋放此材料重組所產生的巨大的電位，我們必須將製造異質接合時所產生的重組電流釋放出來，進而將帶來的缺陷降到最低。要這樣做的話，我們必須改善我們的製造程序，像目前我們常看到的是經由過多的蝕刻製程產生於鍺金屬基板上的缺陷。

　如同GaN和鍺傳導帶邊緣的對位也還在研究當中，若它們不能擁有良好的對位，金屬介面間的傳導帶將會限制電晶體的特性(雖然這樣的減少量相對於大差距的能階僅僅只是微小的變化)，能階結構依然會受到鍺金屬上的GaN影響，該現象目前仍未知且還在研究當中。

　雖然現在還有許多未知的因素，但GaN在鍺金屬上的材料系統上仍表現出非常令人信賴的特性，不僅擁有低能量損耗，且提供非常快速的電晶體操作速度。在IMEC產出新型的元件之前，我們會持續提昇該結構的特性，並繼續對每個電晶體的價值與性質進行評估與研究開發。CSOT

作者
Ruben Lieten是Research Foundation Flanders的研究助理，該機構是隸屬於布魯塞爾的Vrije 大學。電子郵件信箱：lietenr@imec.be。

圖一：網狀比率接近5：4能夠賦予於鍺金屬上形成高品質的GaN薄膜的能力。

圖二：(左)、IMEC的GaN在鍺晶圓上的成長是應用Riber MBE反應器搭配氮氣電漿源。