第一章 緒論
1-1 研究背景
1-1-1 氮化鎵材料特性簡介
半導體發光材料已有三十多年歷史，紅光、黃光等發光二極體(Light Emitting Diode: LED)均有高亮度商業產品。而在近十年來各研究團體積極發展高亮度藍 光或吸光元件，像是發光二極體(Light Emitting Diode: LED)、雷射元件(Laser Diode: LD)、和光檢測器(Photo Detector)等。在電性方面，GaN 的高崩潰電壓與 飽和電流，用來製作元件有高速、低雜訊且可在高溫下操作的特性，這些優於傳 統半導體材料矽(Si)的特性，使其成為眾所矚目的研究課題。
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然而由於 GaN 受限於物理特性，熔點的分解壓力大於 105 Bar，如此高的壓 力，使其無法如 Si 一般直接由液相拉晶的方式量產成長大尺寸且高厚度的基板 (substrate)，因此只能採用異質磊晶的方式，利用其他能隙、晶格常數(lattice constant)相近的材料來做晶種成長，常見的基板有氧化鋁(Al2O3)、碳化矽 (6H-SiC(0001))、矽(Si(111))、砷化 鎵(GaAs(100)；GaAs(111))等材料，所以於 1983 年時 Yoshida et al.，他們先在藍寶石基板上高溫成長一層與 sapphire 晶格較匹配 的 AlN 當緩衝層(buffer layer)，然後在其上成長的氮化鎵薄膜會有較好的品質，
用這方法所得的氮化鎵薄膜的室溫遷移率(mobility)約在 34cm2/s·V [1]。然後 1991 年 Nakamura et al.使用兩階段成長方式，先在低溫長一層品質較不好的 GaN 當緩 衝層，然後再拉到高溫成長高品質 GaN 薄膜，大約在緩衝層 20nm 左右，載子 濃度可提升到 4 × 1016/cm3、而其遷移率可達 600cm2/s·V [2]。最初自然長晶下 氮化鎵薄膜均是 n-type，是因為長晶品質不好控制，所以在成長 p-type 氮化鎵方 面有很高的難度，直到 1988 年才由 Amano et al.摻雜鎂(Mg)原子，成功成長出 p-type 氮化鎵[3]。1991 年 Nakamura 先是把 p-type 氮化鎵的電洞濃度提高，降低 電阻率(resistivity)並提高遷移率[4]，隨後做出全世界第一顆高功率藍光 LED。外 部量子效應(external quantum efficiency)達 0.18%，當驅動電流為 20mA 時其正向 偏壓(forward voltage)大約為 4V，當驅動電流為 10mA，其電激發光
(Electroluminescence -EL)強度的半高寬(full width half-maximum,FWHM)為 55nm，
當驅動電流為 4mA，其功率為 20uW，功率比當年 SANYO 公司的 LED 大十倍 [5]。
考量到成本以及晶格匹配的問題，通常最常見的材料是 Al2O3，也是業界量 產時最常用來做為基板的材料。無可避免的，在異質磊晶時，基板與成長的材料 在晶格常數、熱膨脹係數(thermal expansion coefficient)的不同而有很大的差異：
例如晶格常數的差異，會造成晶格間的應力(stress)而產生差排(dislocation)或是隨 後延伸到表面的缺陷(defect)，降低晶格品質，進而影響了元件的操作性，如 LED
3 面做化學機械研磨(Chemical mechanical polish，CMP)[14，16]及細微化學機械 研磨(Fine Chemical mechanical polish，FCMP)[16]，此部份之研究空間頗大，
還有許多可以研究及探討的。 在初步結果分析方面，首先使用光學顯微鏡 (Optical Microscopy-OM)及原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy-AFM)等測 量表面微粗糙度，再利用光激發螢光光譜儀(PL)和 X 光繞射分析儀(XRD)觀察 試片整體拋光後的品質，選定參數後開始對損害層(DAMAGE LAYER)去做深 入的探討，由文獻可發現可利用光激發螢光光譜儀(PL)的 NBE 強度與 yellow
4 (Chemical Mechanical Polish，簡稱 CMP) 或稱為化學機械平坦化(Chemical Mechanical Planarization，亦簡稱 CMP) 在積體電路(Integrated Circuit，IC)製程 上進行平坦化。
由於對於氮化鎵的拋光研磨，文獻上所提供的參數跟配方所透露的甚少，很 多嘗試的條件我們皆以硬度跟氮化鎵接近藍寶石做完參考，以藍寶石的拋光經驗，
對氮化鎵設定初步的相關參數，以下稍微介紹藍寶石的研磨拋光文獻，
1977~1978 年，Namba et al.使用二氧化矽溶液搭配錫盤，對藍寶石表面進行超 拋光的實驗，成功將藍寶石的表面粗糙度降到了 1 nm。按照常理若以二氧化矽
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1986 年，Prochnow et al.證實藍寶石的超拋光可使用直接接觸法，搭配瀝青拋光 盤，達到均方根粗糙度值為 0.2~0.3 nm 的結果。
化學機械研磨的原理主要是利用一個拋光平台，透過適當的參數設定，配合 可以跟試片作用的適當研磨液及配合不同的研磨盤，將試片的表面高低起伏不一 的形貌加以拋光磨平。1998 年，M. Schauler et al.利用乾蝕刻方法去除表面下的 損害層(subsurface damage)，並利用低溫陰極螢光激發光譜(low-temperature cathodoluminescence)觀測其去除的特性。[18，19] 2003 年，Xueping Xu et al.利 用鑽石顆粒、SiC 和鋁粉等研磨顆粒，不同的顆粒大小對氮化鎵做表面的研磨測 試，同時提出不同顆粒大小搭配銅盤跟鑄盤對氮化鎵表面形貌有不同影響，比較 機械研磨跟做完化學機械研磨之後的 TEM 側像圖觀察研磨氮化鎵所造成傷害 層[20，21]。2007 年，Drew Hanser et al.利用化學拋光研磨對 c-plane 做研磨，
成功的除去前面製程所造成的傷害層(damage layer)，並對 c-plane、a-plane 及 m-plane 做 CMP 之後粗糙度及其 removal rates 的比較[24]。2007 年 S. Hayashi et al.較具體的提出化學機械研磨及細微化學機械研磨(FCMP)的配方，並利用氫 氟酸做清潔後，其氮化鎵表面粗糙度可降達 0.9 nm，並利用 TAD 觀察研磨前 後的半高寬[25]。 2009 年，K. Y. Lai et al.利用陰極螢光激發光譜影像
(Cathodoluminescence spectroscopy imaging，CL)去討論機械研磨造成的損害層，
並提出利用熱退火(annealing)去消除表面下的損害層(subsurface damage)，並且可 觀測出損害層厚度約1.48μm。[18，19]。
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1-3 研究動機與目的
氮化鎵(GaN)是現階段藍光發光二極體(Light Emitting Diode- LED)甚至未來 藍光雷射最重要的材料，由於異質磊晶的方法會遇到許多的缺點；如雙方晶格常 數不匹配，或是熱膨脹係數差距過大，在長晶的過程中常常生成許多位錯 (dislocation)延伸進入厚膜中，因此缺陷過多品質不佳，造成元件成長品質不佳、
效率差。因此避免異質磊晶造成的影響，現階段長晶發展傾向於製作獨立式 (free-standing)氮化鎵基板。而獨立是氮化鎵基板的則是由氫化物氣相磊晶法 (Hydride Vapor Phase Epitaxy，HVPE)去成長磊晶，但由於氫化物氣相磊晶法的 成長特性我們取得的基板表面是呈現高低起伏不平整，所以藉由化學機械研磨 (Chemical Mechanical Polishing，CMP)去取得表面微粗糙度在 1 nm 以下的基板是 必需的。
然而化學機械研磨的過程中會對基板表面產生表面下的損害層(subsurface damage)，此損害層嚴重影響後續磊晶成長的結果，因此在本實驗中我們首先利 用原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)去將製程參數理想化，再利用光 激發螢光(Photoluminescence, PL)、陰極螢光激發光譜影像(Cathodoluminescence spectroscopy imaging，CL image)去觀測損害層(damage layer)，並且藉由穿透式電 子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy，TEM)去驗證之。最後利用不同方法 去去除損害層，如感 應 耦 合 電 漿 (Inductively Coupled Plasma， ICP)與 細 微 化學機械研磨(Fine Chemical Mechanical Polishing，FCMP)，以期能取得可供再 成長用之氮化鎵基板，並且期望在氮化鎵基板上成長發光二極體(Light Emitting Diode，LED)。
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