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3-1 ELOG (epitaxial lateral overgrowth)背景

如何降低磊晶過程中非輻射載子的數量除了取決於調變的recipe之 外,開設光罩結構也是一項最有效的方法。過去利用成長buffer layer 可 以降低基板與氮化鎵之間的晶格以及熱膨脹係數的差異,這已經可以使TD 降低至10 8cm-2,足夠拿來做LED,但是要生產UVLED 需要使TDs 的密度再 降低於107cm-2,因此ELOG的方式於焉產生,1994年Kato[26]等人是第一位 使用ELOG的方式在c-plane sapphire 上先用MOCVD成長一層buffer layer, 再以氮化矽當作mask圖案的材料,後續的氮化鎵成長將可以發現指從孔洞 的區域生長,而mask的區域則是初始不成長的狀況此方式是利用所謂選擇 性成長(Selective Area Epitaxy: SAE)的方法來達成,這種方式可以有 效降低TD於mask下方而降低沿伸至表面的密度。

第一位利用側向成長的方式降低在非極性面成長的缺陷是UCSB團隊 Cracen[27]等人於2002年以MOCVD方式來達成,後續於2003與2005年 Haskell[28]發表兩篇在APL的文章提出以HVPE搭配不同mask條紋方向的 LEO方式成長a-plane與m-plane的氮化鎵材料,發現在windows與wing的TD (107 ~10cm-2)與SFs(103 ~105cm-1)密度會因成長方向的變化而有不同,但 總體而言缺陷密度比沒有結構的仍是可有效降低一至兩個order。

對於ELOG的成長方式,有其他多種類似不同的結構,其目的皆是為 了降低TD的密度,但有的結構所需要的製程過程過於繁雜且消耗的時間較 多,結果並沒有比直接採用傳統簡便的ELOG方式還好,因此目前仍多使用 以二氧化矽為材料的長條型mask圖形。以下是8種不同ELOG製程的示意圖。

(圖 3-1) 開設各種 mask 的 ELOG 示意圖[29]

(a) Traditional ELOG:

開設mask方式阻擋TD往上延伸,之後磊晶層在側向接平後繼續縱向成長,

此方式可降低TD至108cm-2 (b) Facet-initiated ELO(FIELG):

改變初始磊晶的溫度與carrier gas來達到從 windows成長出來的是三 角形結構,TD因而會因氮化鎵與mask之間的界面張力使其彎曲,如此可 以因TD的匯聚而降低TD至107cm-2

(c) PENDEO :[30]

將傳統ELOG未覆蓋mask的緩衝層以RIE去去除留下基板表面,後續磊晶的 成長將從mask下緩衝層的側壁側向成長,該成長結構方式可降低TD至 106cm-2,此方式也稱為Sidewall ELOG.

(d) Other mask material:

此種ELOG型式只是mask材料做更換,以鎢為例發現成長出來的磊晶層XRD

的FWHM會比較小,且因為有空隙產生所以有助於降低基板與磊晶層的界 面應力。

(e) Air-Bridged ELOG(ABELOG):

先成長出一層~um的n-GaN,在其上開設條型光罩並蝕刻出週期性凸起與 凹陷部分的區域,接者在凹陷部分鍍上SiN當作mask,之後成長的區域剩 下凸起的區域。隨後的磊晶先從seed冒出之後在側向成長皆平,優點是 此種方式TD不會轉彎,因而使得雖wing區域的TD密度可以將低至

10-6cm-2,不過seed區域的缺陷密度仍是相當高。

(f) Production of Grooved Striped Structure and Direct Lateral Epitaxy :

此種方式由Akasaki提出,其實就是製做pattern sapphire

substrate(PSS)方式來降低晶格不匹配所造成缺陷密度的提升。類似 ABELOG在磊晶層上做週期性凸起與凹陷形狀,這是在基板上來製做同樣 手法。凹陷的trench比凸起的terrace成長還慢,因此磊晶成長結果會從 terrace往側向填滿且在trench上方形成孔隙,同樣具有降低應力效果。

(g) Directed ELOG:

直接將mask開設在基板上面,使得磊晶層與基板間晶格不匹配問題移 除,此種效果如同air-bridged ELOG,只不過該種方式並無以乾式蝕刻 吃出凹陷區域,此種方式的優點也是不會造成TD bending。

(h) Facet- Controlled ELOG (FACELO):

調變磊晶recipe來成長不同側向晶格面的方法,此方式比起FIELG只要在 10um左右的厚度及可達到明顯降低TD的效果。

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