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TWM629298U - 具有2d材料中介層的氮化鎵外延基板 - Google Patents

具有2d材料中介層的氮化鎵外延基板 Download PDF

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TWM629298U
TWM629298U TW110212315U TW110212315U TWM629298U TW M629298 U TWM629298 U TW M629298U TW 110212315 U TW110212315 U TW 110212315U TW 110212315 U TW110212315 U TW 110212315U TW M629298 U TWM629298 U TW M629298U
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aln
gan
gallium nitride
algan
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TW110212315U
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王曉靁
施能泰
宋高梅
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王曉靁
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Abstract

本創作公開了具有2D材料中介層的氮化鎵外延基板，包含一多晶AlN基板；多晶AlN基板上有SiO 2接合層；SiO 2接合層上有c面藍寶石貼合層；c面藍寶石貼合層上成長多晶向2D材料中介層，多晶向2D材料中介層至少有一頂層，頂層晶格常數與AlN、AlGaN或GaN高度匹配；多晶向2D材料中介層上借助凡得瓦外延生長GaN單晶外延層，或，借助凡得瓦外延生長AlN或AlGaN成核輔助層，再在AlN或AlGaN成核輔助層上有GaN單晶外延層。本創作避免了2D材料中介層移轉工序及可能的品質影響，有效克服異質外延晶格不匹配導致氮化鎵層缺陷品質問題，可以緩解部分因熱膨脹係數不同導致的熱應力問題；有利於用來進行包含成長高質量AlN、AlGaN以及GaN外延層，以進行GaN 系等寬能隙光電及半導體組件製作。

Description

具有2D材料中介層的氮化鎵外延基板
本創作涉及具有2D材料中介層的氮化鎵外延基板。
在光電及半導體的組件製造過程中，外延對產品的品質有重要的影響。其中對質量的影響包含組件效能、良品率、可靠度及壽命等。通常，基板的材料希望能儘量減少缺陷密度的單晶材料，在晶體結構、晶格常數(lattice constant)、熱膨脹係數(CTE, coefficient of thermal expansion)與外延材料匹配才能盡可能避免在外延過程中影響晶體品質。近年第三代半導體技術與市場隨功率、高頻半導體組件需求快速發展，品質提升的基礎，仰賴第三代半導體材料兩個主角碳化矽與氮化鎵高質量外延基板的供應。不同於氮化鎵系LED採用藍寶石基板為主，依照目前技術，最常採用的氮化鎵基板是矽晶圓上氮化鎵(GaN-on-Si)及碳化矽上氮化鎵(GaN-on-SiC) 兩種基板。
主要原因來自氮化鎵單晶技術發展目前成本與尺寸的限制。氮化鋁和氮化鎵的熔點均在攝氏兩千五百度以上且存在蒸氣壓高問題，換言之，若想要直接以熔融長晶的方法製作前述兩種材料的單晶基板，則不只製造成本更高，也相對會產生更多廢熱，對環境造成不可避免的污染。氣相法長晶部分，目前氮化鎵長晶採用的是氫化物氣相外延法(Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE)來生產單晶氮化鎵基板，由於生產成本及產率條件等限制，目前量產技術達到4英寸基板同時成本極高。事實上，上述氣相法缺陷密度仍然偏高於其他液相長晶工序，但受限於其餘工序長晶速率過於緩慢，量產成本更為高昂，在市場需求、組件性能以及基板成本與供應量折衷考慮之下，商轉主流仍限於HVPE法。文獻指出氣相法GaN長晶速率仍有提高數倍的可能並維持良好結晶性，但受限於缺陷密度劣化，目前並未能作為降低GaN基板成本的取向。至於氮化鋁長晶技術，採用的是氣相法之一的物理氣相傳輸法(Physical Vapor Transport, PVT)來生產單晶氮化鋁基板，由於生產技術及良率限制，全球僅兩家廠家有量產能力，目前量產技術僅達到2英寸基板同時成本極高，而產能全由少數廠商佔有無法廣泛供應市場。由於氮化鋁本身化學特性以及物理氣相傳輸法硬體零組件限制，單晶成品中一定程度的碳(C)與氧(O)雜質存在為不可避免，也一定程度影響組件特性。
表1
材料 結晶結構 晶格常數 熱膨脹係數
a c ×10 － 6×Ｋ －１
氮化鎵GaN 纖鋅礦 Wurtzite 0.31885 0.5185 α a5.59 α c  3.17
氮化鋁AlN 纖鋅礦 Wurtzite 0.31106 0.49795 α a4.15 α c  5.27
氧化鋅ZnO 纖鋅礦 Wurtzite 0.32496 0.52065 α a4.31 α c  2.49
碳化矽 SiC 6H 纖鋅礦 Wurtzite 0.30806 1.51173 α a4.3 α c  4.7
藍寶石 Sapphire 菱面體 Rhombohedral 0.4765 1.2982 α a6.66 α c  5
矽Si 金剛石Diamond 0.5431   2.6
類似的情形，也存在於目前碳化矽(SiC)單晶，碳化矽基板是目前高性能功率半導體以及高端發光二極體的基板材料，單晶長晶工序為氣相法中的物理氣相傳輸法(Physical Vapor Transport, PVT)，高質量大尺寸碳化矽單晶成長技術難度高，高端量產技術掌握在少數廠商手中，影響所及應用成本仍有很大進步空間。碳化矽上氮化鎵(GaN-on-SiC) 為高質量的氮化鎵外延基板，但綜合以上原因，大尺寸基板存在價格高昂、供應量有限及技術掌握在少數廠商手中等問題；相對而言，矽基板尺寸大、成本低、產能高且品質穩定，矽晶圓上氮化鎵(GaN-on-Si) 基板發展更普遍為相關廠商關注。
矽晶圓上氮化鎵(GaN-on-Si)及碳化矽上氮化鎵(GaN-on-SiC) 兩種基板技術，在外延製程方面皆屬異質接面外延技術，異質外延需克服不同材質之間的晶格匹配問題，以及外延層和基板間因熱膨脹係數不同導致的熱應力問題，GaN-on-SiC比GaN-on-Si品質高正是因為GaN-on-SiC晶格不匹配(lattice mismatch)的程度較GaN-on-Si小；另一個重要特性是氮化鎵層在矽表面存在顯著的張應力，當提升氮化鎵層厚度時應力更高，導致基板的彎曲形變甚至氮化鎵層可能開裂，隨著晶圓尺寸增大時相關效應也更加嚴重。相關技術困難導致GaN-on-Si的良品率普遍較低，且多應用於電力電源產品，目前量產仍以六吋為主，矽晶圓大尺寸的優勢未能完全發揮。
二維材料(two-dimensional(2D)materials)是一個快速發展的新興領域，2D材料家族中最早吸引大量研發投入也最知名的材料為石墨烯(graphene)，其二維層狀結構具備特殊或優異的物理/化學/機械/光電特性，層與層間則沒有強力的鍵結存在，僅以凡得瓦力(van der Waals force)結合，這也表示層狀結構表面沒有空懸鍵(dangling bond)存在，目前石墨烯已被確認具有廣泛而優異的應用潛能；石墨烯研發工作於全球普遍開展，同時也帶動更多2D材料的研發，包括六方氮化硼hBN(hexagonal Boron Nitride)、過渡金屬二硫族化物TMDs (transition metal dichalcogenides) 以及黑磷black phosphorus等也是2D材料家族中累積較多研發成果者，上述材料均各自具備特異的材料特性與應用潛能，相關材料的製造技術開發也持續積極推展中。除了優異的光電特性之外，石墨烯、hBN以及TMDs材料之一的MoS 2都被視為具有優異的擴散阻障特性，也有程度不一的高溫穩定性，尤其hBN更具有絕佳的化學鈍性(inertness)以及高溫耐氧化性。
由於具備上述層狀結構本質以及層間凡得瓦力結合特性，將2D材料家族中兩種或多種材料製作成層狀堆疊異質結構(hetero-structures)技術可行性大開，異質結構除了結合不同特性更創造出新的應用特性或製作出新的組件成為可能，目前光電及半導體領域的研發相當積極。具體可以是機械性組成疊層，也可以是物理或化學氣相沉積。
2D材料的凡得瓦力結合特性也獲得應用於傳統3D材料的外延基板用途的關注，其著眼點在於外延技術中外延材料在晶體結構、晶格常數(lattice constant)、熱膨脹係數(CTE, coefficient of thermal expansion)必須與基板材料匹配非常良好，但現實上常遭遇如本發明主題欠缺適合基板材料，或者是理想的基板材料成本偏高或不容易取得等情形，此時2D材料對於異質外延基板提供了另一種解決方案， 也就是所謂的凡得瓦外延(van der Waals Epitaxy)。凡得瓦外延可能有利於異質外延的機制來自於傳統外延介面直接的化學鍵改由凡得瓦力結合所取代，將使得來自於外延工序中晶格以及熱膨脹不匹配的應力或應變能因此獲得一定程度的舒緩，從而使得外延層品質獲得改善，或者說通過2D材料以及凡得瓦外延導入可以使某些原先無法實用化的異質外延技術成為可能。相關研究也指出，當上述2D材料相互迭層異質結構時，相互間作用力以凡得瓦力為主；而在2D材料上進行3D材料的外延時，由於介面上3D材料的空懸鍵(dangling bond)存在同時對接口的結合力有貢獻，這種外延實質上並非純粹凡得瓦外延(van der Waals Epitaxy)或者更精確地可視為准凡得瓦外延(Quasi van der Waals Epitaxy)；不論何種情形，晶格與熱膨脹的匹配程度，無疑地仍對最終的外延品質起了一定的作用，2D材料中介層與基板材料都對整體的匹配度有所貢獻。上述2D層狀材料具有六角形或蜂巢狀(hexagon or honeycomb)結構，與纖鋅礦（Wurtzite）和閃鋅礦（Zinc-Blende）結構材料在外延時被視為結構相容，本發明相關領域主要外延材料均屬此類結構。
基於外延基板用途，單晶(single crystal)為確保磊晶品質的要求之一，一般2D材料成長往往會在成核階段與結晶性基板晶體指向呈現相關性，當基板採用一般金屬箔片時由於屬於多晶結構，2D材料在成核階段已經形成方向不一致，晶核隨成長聚合成連續薄膜後仍存在不同指向的區塊(domain)而非單晶；當基板採用單晶材料如藍寶石，仍然因為兩者結構對稱相關性導致可能出現的特定成核指向並非唯一，而無法形成單晶連續薄膜。近期的研究發現通過改進既存工藝，將銅箔經過熱處理形成特定晶格指向的銅箔時，可以消弭2D材料石墨烯和六方氮化硼(hBN)成長過程形成的異向晶格區塊(domain)特徵，而長成單晶石墨烯和六方氮化硼連續薄膜。
近年研究指出在單晶的c面(c-plane)藍寶石表面可以CVD等方式成長結晶性良好的層狀MoS 2、WS 2、MoSe 2、WSe 2等TMD材料，成長出來的TMD材料存在兩種(0º及60º)晶體指向(crystal orientation) (參考文獻：Nature 2019, v.567, 169-170)。針對本發明所關注的AlGaN以及GaN材料而言，晶體結構在外延接面上具有六方對稱性，上述的TMD層雖不構成單晶層，但理論上作為外延基板時無礙於AlGaN以及GaN外延層形成單晶。目前在藍寶石以外基板表面應用時，常採用在高質量藍寶石表面成長的二維材料層經過移轉工序移轉到其他基板表面；在高質量藍寶石表面成長二維材料層不經過移轉而直接應用時，理論上可以避免二維材料層由移轉工序而來的包含缺陷、皺褶及表面污染物殘留等可能品質影響。
現有工藝的矽晶圓上氮化鎵(GaN-on-Si)，如圖1所示。異質外延需克服不同材質之間的晶格匹配問題，以及外延層和基板間因熱膨脹係數不同導致的熱應力問題，GaN-on-Si晶格不匹配(lattice mismatch)的程度較高，導致外延過程中氮化鎵層缺陷密度偏高；另一個重要特性是氮化鎵層在矽表面存在顯著的張應力，當提升氮化鎵層厚度時應力更高，導致基板的彎曲形變甚至氮化鎵層可能開裂，隨著晶圓尺寸增大時相關效應也更加嚴重。相關技術困難導致GaN-on-Si的良品率普遍較低，且多應用於電力電源產品，目前量產仍以六吋為主，矽晶圓大尺寸的優勢未能完全發揮。
現有工藝的藍寶石上氮化鎵(GaN-on-Sapphire)，如圖2所示。異質外延需克服不同材質之間的晶格匹配問題，以及外延層和基板間因熱膨脹係數不同導致的熱應力問題，GaN-on-Sapphire晶格不匹配(lattice mismatch)的程度高，導致外延過程中氮化鎵層缺陷密度呈一定水準,在發光二極體長期商業技術開發下，仍存在不可替代的地位；但是在高頻與功率半導體領域，由於藍寶石熱傳導係數偏低導致藍寶石上氮化鎵(GaN-on-Sapphire)的應用受阻。
為了解決現有工藝中存在的問題，本創作提供一種具有2D材料中介層的氮化鎵外延基板。
本創作的解決方案如下：
具有2D材料中介層的氮化鎵外延基板，包含一多晶AlN基板；多晶AlN基板上有SiO 2接合層；SiO 2接合層上有c面藍寶石貼合層；c面藍寶石貼合層上成長多晶向2D材料中介層，多晶向2D材料中介層至少具有一頂層，頂層晶格常數與AlN、AlGaN或GaN高度匹配；多晶向2D材料中介層上借助凡得瓦外延生長有GaN單晶外延層，或者，多晶向2D材料中介層上借助凡得瓦外延生長有AlN或AlGaN成核輔助層，再在AlN或AlGaN成核輔助層上有GaN單晶外延層。
所述2D材料中介層的厚度大於0.5 nm。
所述c面藍寶石貼合層的厚度大於10 nm。
所述2D材料中介層為適用於GaN、AlGaN或AlN外延的2D層。
所述2D材料中介層為單層結構，只具有頂層，頂層為適用於GaN、AlGaN或AlN外延的2D材料。
所述2D材料中介層為由頂層和底層形成的複合層結構，頂層為適用於GaN、AlGaN或AlN外延的2D材料，底層為適合作為單晶基層的2D材料。
所述頂層採用WS 2或MoS 2；底層採用hBN。
所述2D材料中介層的單層結構或者複合層結構的頂層晶格常數a與AlN、AlGaN或GaN不匹配度不大於20%且適用於AlN、AlGaN或GaN外延。
所述多晶向2D材料中介層至少頂層是由兩種互呈60度角度匹配方向的結晶區域(domain)所組成。
採用上述方案後，本創作將高質量單晶的c面(c-plane)藍寶石貼合薄層切割後接合在多晶AlN基板表面，可以直接成長結晶性良好的層狀並存在兩種(0°及60°)結晶區域(domain)指向的多晶向2D材料中介層，避免了移轉工序及可能的品質影響；形成表層晶格常數與AlN、AlGaN以及GaN高度匹配的基板，可以有效克服異質外延晶格不匹配導致氮化鎵層缺陷品質問題；凡得瓦接面的特性可以緩解部分因熱膨脹係數不同導致的熱應力問題。由於僅採用藍寶石貼合層並接合主體為熱傳導性能優異的多晶AlN基板，整體基板架構與組件散熱性能可以維繫良好水準。因此本創作的基板結構有利於用來進行包含成長高質量AlN、AlGaN以及GaN外延層，以進行GaN 系等寬能隙光電及半導體組件製作。
下面結合附圖和具體實施例對本創作作進一步詳細說明。
請參閱圖3至圖6，是本創作具有2D材料中介層的氮化鎵外延基板的實施例，包含一多晶AlN基板1。多晶AlN基板1上有SiO 2接合層2。SiO 2接合層2上有c面藍寶石貼合層3。所述c面藍寶石貼合層3的較佳設計是厚度大於10 nm。c面藍寶石貼合層3上成長多晶向2D材料中介層。所述2D材料中介層為適用於GaN、AlGaN或AlN外延的2D層。所述2D材料中介層的較佳設計是厚度大於0.5 nm。多晶向2D材料中介層至少具有一頂層41，頂層41晶格常數與AlN、AlGaN或GaN高度匹配。多晶向2D材料中介層的頂層41上直接借助凡得瓦外延生長有GaN單晶外延層5，或者，多晶向2D材料中介層的頂層41上先借助凡得瓦外延生長有AlN或AlGaN成核輔助層6，再在AlN或AlGaN成核輔助層6上有GaN單晶外延層5。
具體地，如圖3所示的實施例一和如圖5所示的實施例三，所述2D材料中介層為單層結構，只具有頂層41，頂層41為適用於GaN、AlGaN或AlN外延的2D材料。實施例一，頂層41上直接借助凡得瓦外延生長有GaN單晶外延層5。實施例三，頂層41上先借助凡得瓦外延生長有AlN或AlGaN成核輔助層6，再在AlN或AlGaN成核輔助層6上有GaN單晶外延層5。
如圖4所示的實施例二和如圖6所示的實施例四，所述2D材料中介層為由頂層41和底層42形成的複合層結構，頂層41為適用於GaN、AlGaN或AlN外延的2D材料，底層42為適合作為單晶基層的2D材料。實施例三，頂層41上直接借助凡得瓦外延生長有GaN單晶外延層5。實施例四，頂層41上先借助凡得瓦外延生長有AlN或AlGaN成核輔助層6，再在AlN或AlGaN成核輔助層6上有GaN單晶外延層5。
本創作所述頂層41為符合晶格常數匹配等需求的2D層，如採用WS 2或MoS 2，底層42為適合作為基層的2D層，如採用hBN，但不限於上述材料。
表2
材料 晶格常數a（nm）
六方氮化硼hBN 0.25
石墨烯graphene 0.246
WS 2 0.318
MoS 2 0.3161
WSe 2 0.3297
MoSe 2 0.3283
所述2D材料中介層不論單層結構還是複合層結構，頂層41晶格常數a與AlN、AlGaN或GaN不匹配度不大於20%且適用於AlN、AlGaN或GaN外延。所述多晶向2D材料中介層至少頂層41是由兩種互呈60度角度匹配方向的結晶區域(domain)所組成。
本創作具有2D材料中介層的矽上氮化鎵GaN-on-Si外延基板的製備方法，步驟如下：
步驟1，以表面拋光的多晶AlN基板1為起始材料，經由適當製程處理(含薄膜蒸鍍、化學機械研磨、spin-on-glass及熱處理等)使基板表面達高度平坦化，作為後續製造程式的準備；SiO 2接合層2披覆在多晶AlN基板1上；
步驟2，以既有製程技術，將c面藍寶石貼合層3自c面藍寶石晶圓表面移轉接合至前述多晶AlN基板1表面的SiO 2接合層2上；
步驟3，以既有製造工藝，在c面藍寶石晶片表面成長多晶向2D材料中介層；
步驟4，利用凡得瓦外延技術，在步驟3中表面具有多晶向2D材料中介層的多晶AlN基板1上可繼續進行後續GaN外延；或先進行AlN或AlGaN成核層披覆再繼續進行GaN外延。
本創作借助藍寶石單晶層表面直接成長多晶向2D材料異質接合中介層與凡得瓦外延（VDWE）之應用，形成表層晶格常數與AlN、AlGaN以及GaN高度匹配的基板。本創作有效克服了異質外延晶格不匹配導致氮化鎵層缺陷品質問題；緩解因熱膨脹係數不同導致的熱應力問題。本創作整體基板架構與組件散熱性能可以維繫良好水準，有利於用來進行包含成長高質量AlN、AlGaN以及GaN外延層，以進行GaN 系等寬能隙光電及半導體組件製作。
以上所述僅為本創作的較佳實施例，並非對本創作的限制。應當指出，本領域的技術人員在閱讀完本說明書後，依本案的設計思路所做的等同變化，均落入本案的保護範圍。
1:多晶AlN基板 2:SiO 2接合層 3:藍寶石貼合層 41:頂層 42:底層 5:GaN單晶外延層 6:AlN或AlGaN成核輔助層
圖1是現有工藝的矽晶圓上氮化鎵(GaN-on-Si)結構示意圖； 圖2是現有工藝的藍寶石上氮化鎵(GaN-on-Sapphire) 結構示意圖； 圖3是本創作的實施例一結構示意圖； 圖4是本創作的實施例二結構示意圖； 圖5是本創作的實施例三結構示意圖； 圖6是本創作的實施例四結構示意圖。
1:多晶AlN基板
2:SiO2接合層
3:藍寶石貼合層
41:頂層
5:GaN單晶外延層

Claims (10)

  1. 一種具有2D材料中介層的氮化鎵外延基板，其中：包含一多晶AlN基板；該多晶AlN基板上有一SiO 2接合層；該SiO 2接合層上有一c面藍寶石貼合層；該c面藍寶石貼合層上成長多晶向的一2D材料中介層，多晶向的該2D材料中介層至少具有一頂層，該頂層之晶格常數與AlN、AlGaN或GaN高度匹配；多晶向的該2D材料中介層上借助凡得瓦外延生長有GaN單晶外延層，或者，多晶向的該2D材料中介層上借助凡得瓦外延生長有一AlN或AlGaN成核輔助層，再在該AlN或AlGaN成核輔助層上有GaN單晶外延層。
  2. 如請求項1所述的具有2D材料中介層的氮化鎵外延基板，其中：該2D材料中介層的厚度大於0.5 nm。
  3. 如請求項1所述的具有2D材料中介層的氮化鎵外延基板，其中：該c面藍寶石貼合層的厚度大於10 nm。
  4. 如請求項1所述的具有2D材料中介層的氮化鎵外延基板，其中：該2D材料中介層為適用於GaN、AlGaN或AlN外延的2D層。
  5. 如請求項1所述的具有2D材料中介層的氮化鎵外延基板，其中：該2D材料中介層為單層結構，只具有該頂層，該頂層為適用於GaN、AlGaN或AlN外延的2D材料。
  6. 如請求項5所述的具有2D材料中介層的氮化鎵外延基板，其中：該頂層採用WS 2或MoS 2。
  7. 如請求項1所述的具有2D材料中介層的氮化鎵外延基板，其中：該2D材料中介層為由該頂層和一底層形成的複合層結構，該頂層為適用於GaN、AlGaN或AlN外延的2D材料，該底層為適合作為單晶基層的2D材料。
  8. 如請求項7所述的具有2D材料中介層的氮化鎵外延基板，其中：該頂層採用WS 2或MoS 2；該底層採用hBN。
  9. 如請求項1至8中任一項所述的具有2D材料中介層的氮化鎵外延基板，其中：該2D材料中介層的單層結構或者複合層結構的頂層晶格常數a與AlN、AlGaN或GaN不匹配度不大於20%且適用於AlN、AlGaN或GaN外延。
  10. 如請求項1至8中任一項所述的具有2D材料中介層的氮化鎵外延基板，其中：多晶向的該2D材料中介層的至少該頂層是由兩種互呈60度角度匹配方向的結晶區域所組成。
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