Compound Semiconductors III-V materials Part of Periodic

Compound Semiconductors – III-V materials Part of Periodic Table of the Elements Al. Ga. N, In. Ga. N I II IV V VI VIII Li Be B C N O F Ne II I - V group semiconductor II - V I group semiconductor 基本磊晶技術與產品應用 - Mg Al S - - - Zn Ga Ge As Se - - - Cd - - In Si P Sn Sb Te Elemental Semiconductors Si, Ge Binary Compounds Ga. As, In. P, Ga. Sb, Ga. N, In. As, Al. P Ternary Compounds Al. Ga. As, In. Ga. P, Al. Ga. P, In. Al. As, Ga. As. Sb Quarternary Compounds In. Ga. As. P, Al. Ga. As. P, In. Al. Ga. As, Al. In. Ga. P 1

化合物半導體磊晶材料 砷化鎵 (Ga. As) 化合物半導體 (Compound Semiconductor) 三五族 (III-V) 化學元素週期表 IA III IV Li Na K Rb B Al Ga In Be Mg Ca Sr … … IIB Zn Cd Hg 基本磊晶技術與產品應用 C Si Ge Sn V N P As Sb VI VIII O S Se Te … F Cl Br I Ne Ar Kr Xe Ga. As (砷化鎵) Ga. P In. P (磷化銦) Ga. N (氮化鎵) Al. Ga. As … In. Ga. As In. Al. As In. Ga. P Al. Ga. In. As In. Ga. As. P 2

其它半導體材料 IV族 化學元素週期表 IA III IV Li Na K Rb B Al Ga In Be Mg Ca Sr … … IIB Zn Cd Hg C Si Ge Sn V N P As Sb VI VIII O S Se Te F Cl Br I Ne Ar Kr Xe II-VI族 Si Si. Ge Si. C Si. Ge. C Zn. Se Zn. S Cd. Se Hg. Cd. Te … 無法發光 基本磊晶技術與產品應用 3

Compound Semiconductors – III-V materials • Compound semiconductors provide unique physical properties that do not exist in silicon. • Examples include the emission of laser beams and the generation of high-mobility electrons. receivers for satellite broadcasting HEMT, QWIP, PIN Computers/ Storage Laser, VCSEL WLAN-HBT 基本磊晶技術與產品應用 cellular telephones HBT, HEMT Fiber-optic network Laser, VCSEL 4

Ga. As化合物半導 體特性 直接能隙 • 半絕性基板 (低寄生電容 ) • 高電子遷移率 • 高飽和電子速度 • 較高輻射容忍度 基本磊晶技術與產品應用 光電元件 (LED, VCSEL) 通訊元件 (VCSEL) 高速元件 (HEMT, HBT) 衛星通訊 5

Direct Gap vs. Indirect Gap Bandstructure 基本磊晶技術與產品應用 6

Ga. As 基本磊晶技術與產品應用 In. P 7

能階 (Bandgap Energy) 典型化合物半導體 基本磊晶技術與產品應用 8

Al. N Ga. N Lattice Constant : 3. 189Å Energy Bandgap : 3. 39 e. V Si. C Zn. S Zn. O 1. Wide Bandgap-UV/Blue Emission 2. High Temperature Operation 3. High Thermal Conductivity 4. Environmental Stability 5. Combined with In. N, Al. N, the range was from UV to yellow emission 6. Direct bandgap – easy to obtain high illumination 7. Life-time is longer than II-VI group (Zn. Se etc) Al. P In. N Al 2 O 3 (Sapphire) 基本磊晶技術與產品應用 Zn. Se Zn. Te Ga. P Al. Sb Cd. Te Al. As Ga. As Si In. P Ga. Sb In. As In. Sb 9

In. Ga. N material 基本磊晶技術與產品應用 10

電磁波頻譜 1 MHz 基本磊晶技術與產品應用 100 MHz 11

基本磊晶技術與產品應用 12

Ga. As and Ga. N Structure : Ga : As : N Ga. As 閃鋅礦型結晶 (Zinc blende) (立方晶系 ) 基本磊晶技術與產品應用 Ga. N 纖維鋅礦型結晶 (Wurtzite) (六方 晶系 ) 13

結晶製作技術 最基本的四項技術 晶圓 (基板 )長成法 鎢舟法 (Bridgment) HB, GF, VB等 LEC 法 (Liquid Encapsulated Czochralski) 磊晶長成法 VPE 法 LPE 法 多 運用在光元件 MOCVD法 MBE 法 基本磊晶技術與產品應用 SSMBE GSMBE CBE 多 運用在電子元件 14

鎢舟法 (晶圓成長 ) 融點 1250°C ~1100°C 610°C 1237°C 晶種 Ga. As 熔液 AS (HB法 ) 晶種 Ga. As 熔液 AS (GF法 ) HB: Horizontal Bridgeman VGF: Vertical Gradient Freeze GF: Gradient Freeze VB: Vertical Bridgeman 基本磊晶技術與產品應用 15

LEC 法 (晶圓成長 ) N 2 BN坩鍋 Ga. As 結晶 冷卻水管 晶種 B 2 O 3隔絕劑 Ga. As融液 加熱器 絕熱 壁 排氣 LEC: Liquid Encapsulated Czochralski 基本磊晶技術與產品應用 16

砷化鎵 磊晶 設備與材料成長 基本磊晶技術與產品應用 17

什麼是磊晶 磊晶 (Epitaxy): 藉由材料的化合反應形成高品質的薄 膜晶體材料層於單晶基板上。 磊晶層 Ga. As基板 單晶基板 磊晶層原子排列示意圖 磊晶層 4 磊晶層 3 磊晶層 2 磊晶層 1 單晶基板 基本磊晶技術與產品應用 18

磊晶片剖面示意圖 高摻雜Ga. As磊晶層 In. Ga. P磊晶層 Si摻雜層 In. Ga. P間隔磊晶層 In. Ga. As通道磊晶層 Al. Ga. As間隔磊晶層 Si摻雜層 Al. Ga. As磊晶層 緩衝磊晶層 4吋Ga. As基板 基本磊晶技術與產品應用 19

電子顯微鏡磊晶層剖面圖 4吋Ga. As基板 基本磊晶技術與產品應用 20

砷化鎵磊晶技術 · 金屬有機化學氣相沉積 (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)： 將高純度的 化學氣體導入成長腔 內，在加熱的基板上解離並化合反應形成高品質單晶 材料層。 · 分子束磊晶 (Molecular Beam Epitaxy, MBE)： 在超高真 空環境中，將坩堝內之高純度材料加熱，使材料分子 逸出並在加熱的基板上化合形成高品質單晶材料層。 基本磊晶技術與產品應用 21

磊晶技術要求 應用要求 磊晶 品質 表面品質 原料 機體回路 控制厚度 控制濃度 晶種 製作 基本磊晶技術與產品應用 界面品質 基板品質 均一性 材料選擇 再現性 製程 單晶 磊晶 層 基板 晶圓基板 : 拉晶 磊晶 層 : 成長 ep ta x Epitaxy: (place on) (arrange) 22

磊晶設備 分子束磊晶 (MBE) 金屬有機化學氣相沉積 (MOCVD) 基本磊晶技術與產品應用 23

MBE量產設備 source：Riber 基本磊晶技術與產品應用 24

MBE成長示意圖 Substrate Heater Substrate Ga Al 基本磊晶技術與產品應用 As Si 25

磊晶成長法 晶片 loading/un-loading area 10 -7 -10 -6 torr As 分子束 傳送棒 基板 Ga Heater 準備室 (MBE法 ) MOCVD: Metalorganic Chemical Vapor Deposition MBE: Molecular Beam Epitaxy 基本磊晶技術與產品應用 26

MBE 法的 特徵 § 界面控制性良好 可成長 原子級的磊晶層 § 必需維持超真空的狀態 高蒸氣壓元素的成長困難度高 主要用於電子元件 (最近光元件也常採用 MOCVD法 ) MOCVD: Metalorganic Chemical Vapor Deposition MBE: Molecular Beam Epitaxy 基本磊晶技術與產品應用 27

MOCVD量產設備 source：Aixtron 基本磊晶技術與產品應用 28

MOCVD反應成長室 source：Aixtron 基本磊晶技術與產品應用 29

MOCVD反應成長室示意圖 Wafer Process Gases Exhaust Susceptor 基本磊晶技術與產品應用 30

MOCVD成長示意圖 Substrate Heater Substrate Gas Exhaust TEG As. H 3 Si 2 H 6 H 2 Gas Inlet 基本磊晶技術與產品應用 31

磊晶成長法 Trimethyl Gallium CH 3 排氣 Ga 基板 CH 3 (CH 3)3 Ga + As. H 3 Ga. As + 3 CH 4 As. H 3 H 2 TMGa (MOCVD法 ) MOCVD: Metalorganic Chemical Vapor Deposition MBE: Molecular Beam Epitaxy 基本磊晶技術與產品應用 32

Metal Organic Source (CH 3)3 Ga (C 2 H 5)3 Ga methanol: 甲醇, CH 4; ethanol: 乙醇, C 2 H 6; 基本磊晶技術與產品應用 Methyl: 甲基, (CH 3)Ethyl: 乙基, (C 2 H 5)33

Carrier Gas & Hydride Gases • Carrier Gas – N 2/H 2 • Hydride Gases – As. H 3 – PH 3 – NH 3 – Si 2 H 6 基本磊晶技術與產品應用 34

MOCVD 法的 特徵 § 可成長 多種材料 易控制 , 再現性良好 § 使用特殊氣體 , 需使用特別的設備及管 路 會產生 有毒氣體 , 需作特別的處理 主要用於光元件 (最近電子元件也常採用 MOCVD法 ) MOCVD: Metalorganic Chemical Vapor Deposition MBE: Molecular Beam Epitaxy 基本磊晶技術與產品應用 35

Reaction of MOCVD Substrate Heater Substrate (CH 3)3 Ga + As. H 3 Ga. As + 3 CH 4 (C 2 H 5)3 Ga + As. H 3 Ga. As + 3 C 2 H 6 TEG As. H 3 Si 2 H 6 H 2 Gas Inlet 基本磊晶技術與產品應用 36

MOCVD 法與 MBE法的比較 MBE MOCVD 10 -7 -10 -6 torr 10 -760 torr 晶層界面控制性 P系成長 選擇成長 ? MOCVD: Metalorganic Chemical Vapor Deposition MBE: Molecular Beam Epitaxy 基本磊晶技術與產品應用 37

GSMBE法與 CBE法 10 -6 -10 -5 分解 torr 分解 分子束 As. H 3 基板 Ga 10 -5 -10 -4 torr Heater (GSMB法 ) 基板 分解 TEGa Heater (CBE法 ) GSMBE: Gas Source Molecular Beam Epitaxy CBE: Chemical Beam Epitaxy (MOMBE) 基本磊晶技術與產品應用 38

磊晶成長程序 Device structure Ga. As buffer Ga. As substrate Loading Heating Test and Package 基本磊晶技術與產品應用 Growth Unloading 39

磊晶產品 * 磊晶產品一般以其元件應用做為區分 • MESFET： 金屬半導體場效電晶體 • HEMT： 高電子遷移率電晶體 • PHEMT： 應變型高電子遷移率電晶體 • HBT： 異質接面雙載子電晶體 • LD： 雷射二極體 • PD： 光偵測二極體 • LED： 發光二極體 • VCSEL： 垂直共振腔面射型雷射 基本磊晶技術與產品應用 40

砷化鎵 磊晶產品用途 • 手機 /基地台 (Handset/Base Station) • 全球定位系統 (GPS) • 直撥衛星 (DBS) • 無線區域網路 (WLAN) • 無線傳輸 /通訊 (Wireless Communication) • 汽 車雷達 (Automotive Radar) • 光纖通訊 (Fiber Communication) • 雷射指示器 /光偵測器 /印表機 (Pointer/Detector/Printer) • 光電顯示器 (Display) • CD影音設備 (CD/DVD) • 雷射醫療 (Medicine) 基本磊晶技術與產品應用 41

砷化鎵 磊晶與產品應用關聯 基本磊晶技術與產品應用 42

產品上下游關聯 Epitaxy Equipment MOCVD/MBE Epitaxial Wafers Processed Wafers Chemicals Packaged Devices Metrology Equipment 基本磊晶技術與產品應用 End User Applications Substrates EPITAXY IS THE KEY ENABLING STEP 43