1-1 前言
為了維持 Moore’s Law 的預測—在 IC 中可嵌入的電晶體持續不 斷的增加,目前工業界主要著重在開發多重且平行處理運算的技術,光 電積體電路(Opto-Electronic Integrated Circuit, OEIC)就是其中的一個 例子。將光子元件與電子元件整合而成為光電積體電路將給文明科技 帶來巨大的衝擊,主要因為 1) OEIC 給傳統電子產業提供了一個更智 能的數位資料處理與儲存,同時兼具到光子的高傳輸容量與平行運算 的能力以及 2) OEIC 的出現,能在光子領域中,提供類似 RF 處理運算 能力。因而,OEIC 的主要挑戰仰賴於製程技術的整合、元件間交互運 算能力(cross-talk)以及元件熱能的消散。整體而言,歸功於成熟的 silicon-CMOS 製程技術,矽基光電是作為 OEIC 一個很有力利基的平 台。然而,非直接能隙的特性也限制了矽材料的發光效率。此外,直接 能隙的三五族半導體如砷化鎵(GaAs)與磷化銦(InP)材料,因較早被開 發作為通訊用雷射發光光源以及雙極電晶體,用在光電積體電路的整 合上,也有其相對優勢。下表一整理了矽、砷化鎵以及磷化銦材料作 為積體光電平台時,可以沿用的工業技術利基、典型的製作線寬以及 所搭配的光波導材料等等參數。
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近年來，以氮化鎵(GaN) 為代表的寬能隙半導體，由於具有 1) 能隙大 2)高電子漂移飽和速度 3)導熱性能好 4)化學穩定性高等優 點，適合製作藍色、綠色、紫外發光元件而成為全球半導體研究的前 瞻和熱點，被譽為第三代半導體材料。然而 GaN 由於沒有合適的單 晶基板材料，錯位密度大，無法實現 P 型摻雜等問題而研究進展緩 慢。直到 90 年代後，由於緩衝層技術的採用和 P 型摻雜技術的突破，
使得 GaN 光電元件成為研究的主流。更重要的是，氮化鎵為目前作 為白光發光二極體最主要的基礎材料，其發產潛力，不言可諭。因此，
本計畫所欲開發的智慧型晶片，便是以氮化鎵材料為規劃設計。以下 就先對氮化鎵材料特性以及氮化鎵發光二極體製程技術做一簡單的 介紹。
表一.不同半導體材料作為 OEIC 平台的比較
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1-1-1 氮化鎵材料基本特性
氮化鎵材料是指元素週期表中族元素 A1、Ga、In 和 V 族元素與 N 形成的化合(GaN，InN，AlN)。由它們組成的多元合金材料(InxGa1- xN、A1xGa1- xN)屬直接能隙半導體材料，帶隙能量涵蓋了可見光、紫 外和深紫外波段，屬堅硬的高熔點材料(熔點約為 1700℃)。LED 作為 一種注入型的電激發光的半導體元件，靠電子在能帶間躍遷產生光，
其發光波長主要由材料的禁帶寬度決定。
λ = hc
Eg = 1.2359 ev E� g (1) 其中λ 為發光的波長，Eg 為材料的禁帶寬度，h 為普朗克常數，c 為 光速如式(1)。而 GaN 是屬於直接能隙之半導體材料，其能隙為 3.6eV，
而 AlN 為 6.3eV，InN 為 2.0eV。將這幾種材料做成混晶時，可以將 能隙從 2.0 eV 連續改變到 6.3eV。 因此可覆蓋從紅光至紫外光在內 的整個可見光譜，如圖 一所示。正是由於 GaN 材料具備以上的性質 及達到所要求的工藝水平，使得 GaN 於 LED 迅速發展。
圖 一.氮化鎵能帶與晶格常數對應表
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1-1-2 氮化鎵發光二極體製程關鍵技術
圖 二.雙氣流 MOVPE 示意圖
由於 GaN 與基板晶格失配為 15.4%，因此要生長平坦而沒有裂 紋的高質量 GaN 磊晶層非常困難。提出利用低溫生長 AlN 或 GaN 作 為緩衝再與高溫(1000℃)生長 GaN 的二段生長法得到表面平坦如鏡，
低剩餘載流子濃度，高電子遷移率的高質量 GaN 磊晶層，於 1991 年 首先獲得 GaN 磊晶層室溫光泵浦下的受激射。但存在因高溫生長造 成材料界面間的互擴散和多元化合物的金相分離，為降低生長溫度，
近年來有學者進行 GaN 原材料的等離子體或光輻助 MOVPE 生長的 研究，國內學者首先採用了 ECR 等離子體輻助 MOVPE 方法進行 GaN 材料的磊晶生長。低溫生長的關鍵是解決活性氮源並為生長表面 提供活化能，以 ECR 等離子體提供活化氮源，在 GaAs(001)基板生 長出晶質好的純立方 GaN 單晶膜。為了降低 LED 的漏電流，削弱熱 效應提高 LED 的可靠性，採用側向磊晶生長技術(ELOG)，首先在 C 面藍寶石基板生長 2um 左右的 GaN 磊晶膜，在上面製作 SiO2 掩膜 週期性結構，再側向磊晶生長 15um 左右，得到光滑表面的 GaN，並 在上面生長 LED 磊晶結構，不僅可使 LED 磊晶片中的錯位密度相對 常規工藝下降兩個數量級(錯位是有效的漏電流路徑)，也降低了漏電 流，提高了輸出功率和外量子效率。
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1-1-4 GaN蝕刻技術
高電壓操作的操作環境之下，該 MOSFET 能否維持其作為開關的功 能仍有待考驗。因此，我們後續元件製作將把閘極製作於薄層 n-GaN 表面，將有利於高電壓操作環境，稍候會將此設計作詳細說明。
圖 三.初步驗證 GaN-based OEIC 結構示意圖
相較傳統利用打線方式來連結發光與電子元件，圖三所示的驗證結構 優勢在於:
1. 整個 LED die 的封裝面積顯著減小，可以促進其與光學系統 的整合，如與 LCD backlighting units 以及 micro-display system 的整
合 。
2. 整合 LED 與 MOSFET 的封裝結構，將有利於其在大電流 (I>1A)，短 rise/fall time(f<500ns)的元件調變操作。傳統打線(electrical wire)連結 driver circuit 與 LED 在高電流短脈衝的操作之下，電線可 視為天線(antenna)並發送出 RF 訊號，影響系統輸出。
3. 為了減少 GaN LED 在大電流密度(>0.5A/mm2) 操作下發光 波長的偏移效應(wavelength shift effect)，及其後續對於混合螢光粉所 輸出之白光品質的影響，高功率 GaN LED 多會配合使用大脈衝電流 來驅動控制。如在封裝中有打線的存在，將會引入電感，嚴重的影響 LED 出光的起閉速度。
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另一驗證結構，將結合乾蝕刻等製程技術，整合 GaN-based LED，
MOSFET 以及 Photo-detector。其結構如下圖 四所示，利用成長在藍 寶石基板的氮化鎵晶片由於藍寶石基板導熱係數差，傳統打線模式將 無法負荷大電壓操作，GaN-based OEIC 因為沒有金屬線，因此元件 間的連結距離變短，所以有較小的 electromagnetic interference(EMI)，
reliability 也隨之提高。也因為 GaN-based LED 與 GaN MOSFET 更 為接近的排列，這樣的 OEIC 結構整體的內部連接電感(interconnection inductance)也較低。此外，因其沒有金屬線以及焊膠，元件間電路錯 接或是焊膠短開路的機會變小，減低 fault liability，寄生電容效應也 會減低。更重要的是整體製作成本的下降以及 yield 值的有效提升，
這些都是在傳統半導體製程結構中所沒有的優勢。
圖 四.整合白光 LED,MOSFET 以及 Photo-detector 結構示意圖
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1-2-2 智慧型晶片電路設計
圖 五.氮化鎵智慧型晶片電路圖
1-2-3 元件基本工作原理
如圖 五所示，IC 施加逆向偏壓於閘極端，n-GaN (n = 1×1018 cm-3) 當中所排斥的是電子，於 VGS=-2V 時還不會有通道產生。一旦施加 一負偏壓(超過-2V)至 MOSFET 之閘極端，此時通道中的載子(電子)，
聚集於閘極下方而形成 n 型通道層。源級端與汲極端之電極則是沉積 於 n-GaN 上來形成歐姆接觸。若在源極與汲極端施加電壓推動通道 中的電子，便會有電流流通，此電流流經上方 LED 時(順向偏壓)，便 會使其發亮，而發亮之訊號傳送至右側之光偵測器(PD)。其光偵測器 在外加逆向偏壓之下，將光訊號中之電子電洞對加以分開，便會有一 逆向電流流過 PD。而下方之判斷電路便會偵測到電荷之變動，而傳 回其值至 IC 電路中.實際的元件製作流程詳如下方第三章.實驗步驟 與設備元件製作步驟逐一論述。
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於流程圖中，紫色為電子流之流動方向(為 nMOSFET，所以通道 上，2013 年 Z.LI 和 J.Waldron 團隊利用 select epi removal(SER)，
selectivearea grow(SAG)，and 3-dimention(3D) integration using GaN waferbonding 三種方式製作 OEIC 電路，將 LED 磊晶於 HEMT 磊晶 AlGaN 緩衝層造成損傷，進而降低 2DEG(二維電子氣)之性能[6].2014 年 Zhao Jun Liu 和 Jun Ma.團隊更提出 SER 與 SEG 兩製程方式比較，
並於 LED 磊晶層上磊晶 HEMT 結構，雖 SEG 方式可解決 AlGaN 因 蝕刻造成之損傷，但磊晶溫度將是一個很重要的課題，研究發現於 Sapphire 基板上磊晶 LED，在於其上方磊晶 HEMT，會有兩大問題產 生:(1)由於下方 LED 與 Sapphire 晶格不匹配之故，因此會有應力的問
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題產生，(2)LED 的 MQWs(InGaN/GaN)磊晶時大多低於 300℃，若要 在其上方磊晶 HEMT 結構(磊晶約 1045℃)，相對會影響到 LED 之性 能，故解決方式就是降低 HEMT 結構之磊晶溫度，所以相對 HEMT 移動率也會相對降低[7].如上述所述，開關元件諸如”金氧半場效應電 晶體 HEMT MOS-Channel HEMT 等等元件，其特點在於高崩潰電壓，
低開通電阻，以及可應用在高頻電路下操作， 而氮化鎵在 LED 上應 用以往均須以電子電路來驅動，如(1)AC-DC 功率轉換.(2)脈衝寬度調 變(3)數位電流調變，以上便是其應用之處.因此整合兩種元件於同一 晶片上將可降低研發電路之製作成本與尺寸大小，並且改善固態發光 系統之敏感度並使其於高頻傳輸過程中降低失真狀況的發生.，於現 今電路上 LEPIC(light-emitting power integrated circuit)將扮演重要的 角 色 於 故 固 態 照 明 上 之 應 用 ， 如 可 見 光 通 訊 傳 輸 VLC(visible