DLC 元件之元件特性

採用 DLC 為研磨停止層的元件在經過 CMP 移除藍寶石基板後，本論文對樣品在探針臺 上進行點測。測試採用的是 HP4156 半導體特性測試儀。圖 51 是採用 DLC 為研磨停止層 的樣品點亮後的照片。由於還沒有對未摻雜的 GaN 緩沖層進行蝕刻去除和製作 n 型歐姆 接觸，電流在 GaN 磊晶表面的分布不均勻，樣品表面的發光亮度不一致有部分區域較暗。

樣品的 I-V 測試結果如圖 52。從樣品的 I-V 曲線上我們可以看出，樣品在 20mA 下的 正向電壓為 4.12V，遠遠低於多晶鑽石層為研磨停止層樣品的 6V。而且由於該樣品還沒 有蝕刻為摻雜的 GaN 磊晶層以及蒸鍍 n 型歐姆接觸，實際完成後的元件在 20mA 時的正 向電壓還有進一步下降的空間。顯示 DLC 的低溫生長製程對于樣品的損傷會比較小，所 完成的元件具有較好的元件特性。

多晶鑽石層測試（生長在 Si 表面）

硬度 Kinik HF CVD Diamond/on Si sample 1st Run

0

Kinik HF CVD Diamond/on Si sample 1st Run

0

圖 26 多晶鑽石層在 GaN 表面生長後的照片

a) 晶種層曝光

b) 晶種層生長

圖 27 晶種層生長示意圖

3 微米

圖 28 多晶鑽石生長樣品表面成核密度與樣品生長前處理的關係[32]

圖 29 樣品表面殘餘鑽石晶體密度與鑽石生長成核密度關係[31]

圖 30 p-p 電性測試示意圖

鈍化層破損區域的顯微鏡照片 鈍化層破損區域的 EDX 分析結果

圖 31 鈍化層破損區域鑽石層生長後分析

圖 32 鑽石層生長疏鬆區域會造成藍寶石基板移除後表面裂痕

圖 33 在非鑽石層生長區域生長的鑽石

鑽石未緻密生長的溝道

溝 道中 鑽石未 緻密 生長 在 CMP 後造成的裂痕

鑽 石 層 生 長 在 非生長區域

圖 34 Logitech PM5 CMP 設備

圖 35 厚度測試取樣點在樣品上的位置

圖 36 CMP 完成後的晶粒顯微鏡照片

圖 37 未被去除的研磨顆粒污染

CMP 前的元件結構 CMP 後的元件結構 圖 38 CMP 前後元件結構對比

圖 39 SIMS 取樣點示意圖

p-GaN （鎂摻雜）

MQW（含 In）

n-GaN （矽摻雜）

藍寶石基板（Al²O³）

p-GaN （鎂摻雜）

MQW（含 In）

n-GaN （矽摻雜）

銅基板（Cu）

圖 40 SIMS 測試結果

圖 41 點亮的晶粒

C 5 R 1 6 E F o rw a rd B ia s

-1 .0 0 E -0 2 0 .0 0 E + 0 0 1 .0 0 E -0 2 2 .0 0 E -0 2 3 .0 0 E -0 2 4 .0 0 E -0 2 5 .0 0 E -0 2 6 .0 0 E -0 2

0 2 4 6 8 1 0 1 2

V /V

I/A

C 5 R 1 6 E F o rw a rd B i a s

圖 42 樣品的 I-V 曲線

圖 43 與普通標準發光二極體 I-V 測試結果對比

C 5 R 1 6 E R e ve rs e B ia s

-7 .0 0 E -0 8 -6 .0 0 E -0 8 -5 .0 0 E -0 8 -4 .0 0 E -0 8 -3 .0 0 E -0 8 -2 .0 0 E -0 8 -1 .0 0 E -0 8 0 .0 0 E +0 0 1 .0 0 E -0 8

-6 .0 0 E +0 0 -4 .0 0 E +0 0 -2 .0 0 E +0 0 0 .0 0 E +0 0

V /V

I/A

C 5 R 1 6 E R e ve rs e B ia s

圖 44 樣品的反向漏電測試結果

圖 45 鑽石層的生長選擇性差導致發光效率變低

圖 46 FCVA 生長系統示意圖

資料來源：Nanofilm Technologies International Pte. Ltd Singapore

圖 47 DLC 材料生長溫度測試

圖 48 DLC 薄膜電子顯微鏡照片

圖 49 DLC 薄膜生長示意圖

溝道中的 DLC DLC 凸起部分

DLC

鈍化層

圖 50 退火後 DLC 層從樣品表面脫落

圖 51 採用 DLC 為研磨停止層的芯片

D LC 樣品I-V 曲線

-5.00E-03 0.00E+00 5.00E-03 1.00E-02 1.50E-02 2.00E-02 2.50E-02

0 2 4 6 8 10 12 14

電壓（V)

電流（A)

圖 52 DLC 為研磨停止層樣品的 I-V 曲線

表 5 不同晶種層處理方式與樣品表面形成的結晶核密度對應[32]

晶種層製造方法 形成結晶核密度

未處理矽表面（fresh Si surface） 10⁴~10⁵ cm^-2 超聲槽鑽石粉震蕩摩擦劃刮 Si 表面 10⁷~10⁹ cm^-2 DC 偏壓 Si 表面 10⁹~10¹¹ cm^-2 結晶核密度得出：所有樣品均在 CVD 生長 80 分鐘後在 SEM 下觀察

表 6 退火前後 p-p 測試結果對比 30V p-p 測試對比

退火前 退火後

電流 ～nA ～uA

是否發光 不發光 發光

表 7 各步驟樣品厚度測試結果

表 8 藍寶石移除過程

3 小時 1 微米 Alumina 研 磨液 CMP

4 小時 1 微米 Alumina 研 磨液 CMP

5 小時 1 微米 Alumina 研 磨液 CMP

6 小時 1 微米 Alumina 研 磨液 CMP

8 小時 1 微米 Alumina 研 磨液 CMP

8.5 小時 1 微米 Alumina 研磨液 CMP

藍寶石基板被 完全移除

表 9 兩種不同材料生長方法比較

表 10 多晶鑽石層與 DLC 層製程比較

步驟 多晶鑽石層 DLC 製程

01 MESA MESA

02 鈍化層生長 P 型歐姆接觸

03 晶種層區域曝光 鈍化層

04 晶種層生長及多晶鑽石生長 DLC 生長曝光及 DLC 生長 05 氮化鎵活化退火及 p 開金屬窗口 DLC 剝離

06 P 歐姆接觸 鈍化層開窗口

07 銅導電導熱基板電鍍 銅導電導熱基板電鍍

08 藍寶石基板移除 藍寶石基板移除

09 n-GaN 乾蝕刻法蝕刻 n-GaN 乾蝕刻法蝕刻

10 n 型歐姆接觸 n 型歐姆接觸