磊晶薄膜應變狀態對光電元件造成的影響
撰文:黃嘉彥 助理教授
磊晶(epitaxy)是半導體製程中的重要技術之一。透過將基板放在磊晶設備諸如分子束磊晶系統(molecular beam epitaxy, MBE)或是有機金屬氣相沉積設備 (metal-organic chemical vapor deposition)之中，精準控制通入的前驅物流量與時間，就可以如同蓋高樓一般，一層一層的把具有不同材料性質與功能的薄膜堆疊在一起，形成最終的元件。必須透過磊晶技術才能達成的元件包括發光二極體(light-emitting diodes)，雷射二極體(laser diodes)，異質雙極性接面電晶體(Heterojunction bipolar transistor)等，應用十分廣泛。
若將磊晶技術與其他常見不同的鍍膜技術比較，諸如e-beam evaporation或PECVD等，最重要的差別在於所成長的薄膜與下方模板(template)或基板(substrate)的平面對稱性必須一致，而其他方法沒有這層限制。因此，可以將磊晶技術視為廣泛的鍍膜技術中的一個子集合。舉例來說，將SiO2透過PECVD鍍在Si基板上，SiO2為非晶或多晶的結構，但下方的矽基板是立方晶系中的鑽石結構(diamond structure)，兩者之間並沒有關聯性；若將InGaAsP透過MOCVD成長在InP基板之上，薄膜與基板就都是立方晶系中的閃鋅礦(Zinc Blende)結構。只有透過磊晶技術才能達到各層之間在載子傳輸上的同調性，否則大部分的載子都會被高密度的介面缺陷損耗掉，無法兼具複雜設計與元件效能。
然而，每個材料都有自己的晶格常數，若將晶格常數不同的材料透過磊晶技術結合在一起，量體較小薄膜勢必需要扭曲自己的晶格常數來配合其下基板的晶格常數，因此造成應變(strain)。圖一是常見的化合物半導體材料的晶格常數與能隙分布圖，而連結在兩點之間的曲線代表不同種的化合物半導體形成合金時所擁有的晶格常數與能隙位置。我們可以想像，若將本來晶格常數較大的InGaAs成長在晶格常數較小得GaAs基板上，就如同要把蘋果塞在用來放柳丁的水果盒中，必需將其晶格向內壓縮才能形成在平面上有相同晶格常數的薄膜；反之，若是要將晶格常數比較小的材料，諸如圖一中的AlN，在晶格常數較大的GaN基板上形成薄膜，AlN就需要擴張自身的晶格常數。前者所經歷的晶格常數扭曲通稱為壓應變(compressive strain)，而後者稱作為張應變(tensile strain)。
l 應變帶來的優勢與挑戰
應變會造成材料性質的改變，對於元件而言，可能會帶來優勢，也可能帶來挑戰。比如說，在通訊用雷射中，受到壓應變的量子阱材料就會使得價帶(valence band)中的Heavy hole與light hole兩個子能帶於能帶邊緣的簡併態分裂，造成了載子注入時的微分增益(differential gain)進一步提升，因而增加其操作頻寬，資料傳輸速度更快。另外一個例子，當磊晶材料的所承受的壓應力夠大時，在成長數個原子層後，就會促發材料的自聚集(segregation)，形成島狀的量子點(Quantum dot)。成分與尺寸可控制的量子點是單光子光源的理想架構，也是當今量子通訊技術發展的重要元件。
圖一 常見化合物半導體材料的晶格常數與能隙分布。藍色虛線框內的材料皆為Zinc Blende結構，紅色虛線框內的材料皆為Wurtzite結構。[1]
但大多時候，磊晶層的應力為元件帶來的挑戰遠多於優勢。隨著受到應變的材料成長膜的厚度不斷累積，各種缺陷皆有可能受到為了要釋放應變能的驅使而生成，諸如差排注入(dislocation injection)，表面霧化(roughening)，膜龜裂(crack)，膜剝離(peeling)，相解離(phase separation)等各種災難式的缺陷。而很多光電元件也是因為膜應力過大因而在發展上造成瓶頸。以InGaN為基底的可見光LED為例，綠光LED的效率遠不及藍光LED，有很大一部分是因為綠光LED量子阱材料成長時所承受的壓應變幾乎是藍光LED中量子阱的兩倍，因此綠光LED的發光層成長時容易伴隨缺陷生成，造成內部量子效率低落所故。另外一個例子是AlAs與GaAs的晶格差異很小，應變只有0.1%不到，因此可以輕鬆成長出具有高反射率的布拉格反射鏡(DBR)；而AlN與GaN中的晶格不匹配高達2.5%，成長AlN/GaN所堆疊成的DBR很容易形成膜的龜裂與塌陷，因此嚴重阻礙的氮化鎵基底的面射型雷射發展。
l 應變管制措施與技巧
由於膜應變的根源來自於材料晶格常數的差異，而晶格常數又是材料的基本天性，很難透過人工的方式加以改變，所以大部分的情形下只能順其自然。順其自然並非毫無作為，而是要透過對材料特性與製程進行更深入的了解，來避免磊晶過程中缺陷應為應變能的驅使而大量生成。比方說透過適當的力學模型，可以推測某材料在一定應變下形成缺陷的邊際厚度(critical thickness)，意即膜在此厚度下其性質穩定，不容易自發性的形成缺陷。在元件設計時，就要避免其結構中的有特定膜厚遠超過其邊際厚度。另外一種方式是了解主要缺陷形成的機制，並且透過阻斷缺陷成核機制的方式來壓抑生成。所謂頭過身就過，只要缺陷不在高溫成長時大量形成，降溫到常溫後也就會穩定下來，這些都是當應變還不算太大(<1%)的時候相當有效的做法。然而當膜與基板之間的不匹配過大，上述方法效用都非常有限，就需要透過置之死地而後生的方式來成膜，也就是低溫緩衝層技術。我們會先在低溫先刻意成長缺陷密度極高的緩衝層，然後再把溫度拉高到最終成長溫度來促發再結晶(recrystalization)，讓緩衝層取代原先基板成為新的模板，然後再透過各種成長參數調變來逐步降低缺陷密度，直到元件堪用的水準。一個很常見的例子是GaN成長於藍寶石基板，就是透過上述的成長方法來達成，其成長溫度曲線如圖二所示。
圖二 透過低溫緩衝層手法達成在藍寶石基板上成長氮化鎵基底LED元件的成長溫度曲線。
總而言之，磊晶技術是許多半導體元件的根基，尤其是光電元件。而膜應變的管制與紓解更是此技術的重要一環。要專精此技術，需要對於材料的機械性質與表面反應有相當的理解，有時要解決困難還需要一些創意發想與靈感，是一門相當有趣的學問。科學史上也有許多應為磊晶技術的精進才得以被觀察到的重大發現，諸如分數量子霍爾效應。2014年的三位諾貝爾物理獎三位得主，也是因為他們在氮化物磊晶技術上發展的重大貢獻，造就今日LED應用普及所致。對於未來5G通訊與各種高功率元件的應用，磊晶技術也將繼續扮演著重要的角色。
[1] Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits, Second Edition, Larry A. Coldren, Scott W. Corzine, and Milan L. Mašanović. Wileys, 2012.
