第二章 文獻回顧
2.5 在氮化鋁上成長鑽石薄膜的相關研究
寬，如圖2.20(a)所示，證實了以氮化鋁作為緩衝層，可抑制石墨相的產生，
並提升鑽石的品質[42]。Wang 等人於 WC 基板上沉積鑽石時同樣也觀察到 氮化鋁有同樣的作用，如圖2.21 所示[43]。
再者，由於元件於高功率運作時產生的自發熱效應(self-heating effect) 會損害元件性能並減少元件壽命，因此元件的散熱特性是極為重要的考慮 因素。自發熱效應是指當元件在高功率下運作時，產生的大量熱能若無法 適時排出，將使元件溫度升高，此機制稱為自發熱效應。鑽石的導熱係數 為所有材料中最高的，而鑽石與氮化鎵的結合，被認為是能有效提升元件 導熱性質的方式，因此，過去有人曾嘗試於氮化鎵表面進行鑽石沉積 [44][45]。May 等人利用熱燈絲化學氣相沉積法將鑽石沉積於氮化鎵上的研 究顯示，當鑽石的沉積溫度>600 ℃時，氮化鎵會發生以下反應[45]:
即氮化鎵會在高溫下發生分解。儘管可以透過氮氣的通入來稍微抑制此分 解反應，但所形成的鑽石品質差、孔隙多且附著性差。若是在較低溫下將 鑽石沉積於氮化鎵上，則又會有成核成長速率緩慢的問題。
氮化鋁具有高硬度、高熱穩定性、高化學鈍性，並且可阻礙碳的擴散，
使其適合作為成長鑽石的緩衝層。此外，氮化鋁也常作為氮化鎵成長於矽 基板上的緩衝層，這是由於氮化鎵與矽基板之間，存在著較大的晶格不匹
配性、熱膨脹係數差異大等問題，導致不易形成品質好的磊晶氮化鎵層，
並以Infrared thermography 測試晶片的熱散性質，以及於 1000℃以上的高溫 氧化測試其穩定性。結果顯示，結合了 AlN/Diamond 的矽晶片相較於單一 (Two-dimensional electron gas, 2DEG)，使其載子遷移率及密度均大幅提 升，且元件於高頻下(4 GHz)的功率密度可達 12.1 W/mm[48]。Alomari 等人 成功的以熱燈絲化學氣相沉積法將厚度約 500 nm 的奈米鑽石膜沉積於
InAlN/GaN 之 HEMT 結構上[49]，如圖 2.23 所示，其中，在 InAlN 與奈米 鑽石層間，以SiO2作為HEMT 結構之介電鈍化層與成長鑽石過程中氫之擴 散阻障層。結果顯示，元件的各種特性並沒有因為成長鑽石的高溫而有所 改變，且鑽石層的披覆可有效地把熱能自元件頂部逸散出，將有助於元件 特性的表現。然而奈米鑽石存在大量的晶界與非晶碳相阻礙聲子的傳遞，
作為導熱層仍有其熱傳導的限制，其導熱能力通常低於多晶及單晶鑽石膜。
綜合過去在氮化鋁上成長鑽石的研究結果，鑽石大多是成核於不平整 的氮化鋁表面，成長之鑽石膜厚度並不均勻，表面粗糙度大，並不利於半 導體元件的製程，再者，以 MPCVD 成長的鑽石膜品質佳且再現性高，但 過去很少研究是以 MPCVD 的方式於氮化鋁上成長鑽石，並探討其成核與 成長行為以及製程參數對鑽石成長的影響，若能對上述問題有深入的了 解，或許能更進一步提升鑽石/氮化鋁結構在半導體元件上的應用性。
圖2.20 鑽石沉積於鎳基板之拉曼圖譜，(a)無氮化鋁緩衝層，(b)以氮化鋁作
為 。此結果說明了以氮化鋁作為緩衝層，可抑制石墨相
的產生，並提升鑽石的品質。
緩衝層[42]
圖2.21 鑽石沉積於 WC 基板之拉曼圖譜，(a)以氮化鋁作為緩衝層，(b)無氮 化鋁緩衝層[43]。
圖2.22 於矽基板背面成長 AlN/Diamond 結構之(A) 製程順序，(B) IR (C) 鑽石膜表面形貌[47]。
量測散熱特性結果及
圖2.23 奈米鑽石膜沉積於 InAlN/GaN 之 HEMT 結構示意圖[49]。