1.1 前言
在晶圓的單一晶片上結合多種先進高速/高頻光電元件，需要將許多半 導體材料做整合[1]。目前為止，許多的整合技術已經研發完成，例如再成 長(regrowth)、局部選擇性磊晶(selective area epitaxy)、重複選區直接晶圓 接合(repeated selective area direct wafer bonding)。磊晶成長一直被用來形成 不同材料間的異質接面，需要特殊的技術和極昂貴的設備，雖然可以達到 良好的介面結構，但僅限於晶格常數相當的材料，一旦兩種材料有些微的 結構差異，差排的生成[2, 3]將嚴重影響元件特性，例如雷射二極體和低雜訊 偵測器[4]需要高品質的少數載子，高密度缺陷正是主要問題。過去二十年，
磊晶面臨介面高密度錯位與貫穿性差排(misfit and threading dislocation)生 成的問題，所以在異質材料的整合中，直接晶圓接合這項技術逐漸受到重 視。
異質直接晶圓接合(hetero-material direct wafer bonding)提供了包括混 合式光電元件(optoelectronic devices)[5, 6]和微機電以及奈米機電(micro- and nanoelectromechanical systems, MEMS and NEMS)[7]等新穎元件的開發機會。
然而，異質介面和接面電性的品質是直接受限於兩種材料的特性，以直接 晶圓接合來形成異質接面，雖然相對磊晶簡單、容易製作又沒有太多限制 和設備需求[8]，但是根據材料及製程的差別，接合或熱循環(thermal cycling)
所造成的熱膨脹差異會導致不同程度的接合失敗與高密度差排生成。
1.2 研究動機
鍺具有較矽高的遷移率與製程溫度，而且和矽製程有相當好的兼容性，
所以目前為止，這種結構已有廣泛的使用，例如太陽能電池[9, 10]、光感測
器[11, 12]、發光元件[13]以及射頻微機電[14]
等可與矽元件兼容的應用。在Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體太陽能電池中，以 InGaP／InGaAs／Ge 三層結構的太陽 電池最被廣為應用，雖然光電轉換效率較高，但是在運用上有一個主要的 問題：鍺基板價格昂貴。所以一般會利用磊晶成長的方式，將鍺薄膜長在 矽基板上，再去做後續的製程，以降低整體元件的成本。
藉著磊晶將高品質單晶鍺沉積到矽上的積體整合技術會受到矽
(5.43102Å)與鍺(5.64613Å)[15]之間大約 4%晶格常數差異影響，這時會有兩個 嚴重的議題產生[16]：一個是史傳斯基－克拉斯坦諾夫長晶模式
(Stranski-Krastanov growth mode)所導致的高度表面粗糙；另一個則是磊晶 層鍺具有高密度貫穿性差排。表面粗糙需要多一道整平步驟，阻礙太陽能
膜成長到超過臨界厚度，貫穿式差排和混合式錯位差排便會在磊晶介面產 生且貫穿至介面[17]。而在晶圓接合中，錯位差排是在介面產生，由於應力 場沒有延伸到塊材裡，所以差排缺乏貫穿的驅動力。除此之外，藉由 Smart Cut[18]的方式，不但能避免磊晶所產生的缺點，又能重複利用剝離的鍺晶 圓，使得元件成本降低。
但是晶圓接合運用在矽/鍺異質接面通常不是很成功，大約 2：1 [19](鍺：
矽)的熱膨脹係數差異所造成的應力場會驅使差排遠離介面，貫穿塊材。雖 然在高效能光感測器和砷化鎵高品質磊晶模板已經有進行研究[20]，矽鍺直 接晶圓接合因為材料熱膨脹係數的差異仍有極大的挑戰。
異質接合中，接面性質可以左右元件的性能，介面的平整與一致，差 排、缺陷和雜質原子的存在是決定的因素。實驗有兩個主要的研究方向：
(1) 異質材料的晶圓接合，介面的微結構呈現甚麼樣貌？ (2) 介面形貌又 是如何影響電流傳輸？目前為止，許多文獻在接合介面的電流-電壓特性並 沒有一致的資料，往往是以個案處理。為了得到答案，本實驗利用晶圓接 合及後續退火形成 P 型鍺和 N 型矽整合，以穿透式電子顯微鏡觀察矽鍺介 面的微觀結構，另外結合電性量測，分析電流傳輸的形式來推斷介面雜質 與缺陷的存在與否。