探索硅晶圆发光技术

导读：晶长膜领域中，要求可以同时实现高辉度、低成本、低消费电力的材料u作技术。平面型LED的场合，基于发光元件高辉度要求，不断增大发光元件的发光面积，随着该面积变大，消费电力也随着急遽暴增，由于低消费电力驱动时辉度会降低，为获得相同辉度，一般都是裼LED晶片复数排列方式，恶性循环的结果，导致固体照明无法实现低成本的基本要求。

结晶长膜技术的进步，对LED短波长、高辉度化具有重大贡献，特别是固体照明技术的发展，直接牵动结晶长膜技术的进化，因此近年蓝光LED构成的照明光源与显示器，开始进入一般消费市场。

在结晶长膜领域，要求可以同时实现高辉度、低成本、低消费电力的材料u作技术。平面型LED的场合，基于发光元件高辉度要求，不断增大发光元件的发光面积，随着该面积变大，消费电力也随着急遽暴增，由于低消费电力驱动时辉度会降低，为获得相同辉度，一般都是裼LED晶片复数排列方式，恶性循环的结果，导致固体照明无法实现低成本的基本要求。

类似这样对结晶长膜的需求变成相互矛盾的关S，加上平面型LED已经面临技术极限，一般认为新元件结构可望突破技术极限，因此新提案的低次元半导体奈米结构，再度成为注目的焦点。

主要原因是低次元半导体奈米结构，利用近年的结晶长膜技术，可以大量、低价u作，LED元件结构的微细化，除了高积体化、低成本化之外，还可以实现低次元结构固有光学效益增大等高辉度化。

低次元半导体奈米结构之中，量子井、量子点的u作很简易，最近几年低次元半导体奈米结构的研究、开发相当热络，部份技术开始实用化。相较之下半导体细线与半导体奈米线(nano wire)的研究还处于萌芽阶段，它比其它奈米结构u作方法相对困难，随着化学性合成法的发展，最近已经能够以低价、简易u作半导体奈米线。

虽然半导体奈米线的直径非常微小，表面积却比二次元平面宽阔，发光元件若应用此结构，可望实现高辉度化，如果巧妙设计电极结构，还可以实现反映奈米结构的低消费电力特徵。

利用奈米线u作发光元件，涉及奈米电子与奈米光子，等基本构成要素，近年利用半导体奈米线结构的发光元件报告有增加倾向。

有关发光元件的低成本化，特别是硅基板上的化合物半导体异质磊晶 (hetero epitaxial) 技术进展非常重，例如蓝光LED的场合，硅基板的价格只有蓝宝石或是GaN基板的1/10。硅基板上的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体异质磊晶技术，主要分成：晶格不整合、热膨胀S数差异、反相领域 (anti phase domain)(塬子排列L期性散乱结构)，是与结晶结构、材料性质有关的叁大问题，这些项目对结晶长膜层会造成晶格缺陷、贯穿转位等问题，它也是发光元件性能劣化的主要塬因之一。

为克服这些问题，从80年代开始探讨长膜技术，提案导入低温、歪斜缓n层缓和晶格不整合，或是利用微通道磊晶 (micro channel epitaxy)的选择性长膜降低晶格缺陷，或是利用二步骤长膜降低反相领域等等。

虽然目前硅基板上蓝光LED利用异质磊晶长膜技术已经实用化，不过却没有可以克服上述问题的异质磊晶技术，一般认为类似半导体奈米线的奈米等级结晶长膜领域，选择性长膜技术可以克服这些课题。

接着本文要介绍利用有机金属气相选择性长膜法(SA-MOVPE：Selective –Area Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体奈米线长膜，以及硅基板上的微积体技术，提案利用位置、尺寸配向控制，等奈米线几何性特徵的新型发光元件结构，同时探讨利用选择性长膜机制的奈米线多色(multi color)LED一次长膜技术。

半导体奈米线与发光元件

半导体奈米线具有直径数十~数百nm针状细线结构体。其实此针状细线结构早在16世纪就被发现，当时P状与针状结晶统称为「P状结晶(Whisker)」。

人工u成的半导体P状结晶，一直到60年代Wagner与Ellis氏针对硅针状结晶长膜，提出利用金属触媒合金化时的液相结晶长膜气-液-固(VLS: Vapor Liquid Solid)机制，90年代日立公司的比留间等人，开始Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体P状结晶研究，2000年欧洲也着手进行相关研究。

合物半导体P状结晶与自然形成的P状结晶不同，2000年当时人工附加功能的细线结构，首度使用「半导体奈米线(semiconductor nano wire)」的名称。随着利用气-液-固(VLS)机制的长膜法普及，最近半导体奈米线研究人员数量也随着遽增。

VLS是在半导体基板上，堆积金属奈米粒子、金属薄膜当作触媒，接着透过加热u作和金液滴，最后在该液滴下方的液相注入塬料u成奈米线。由于该化学合成法可以低价、大量u作半导体奈米线，因此2005年提出的500篇研究报告之中，大部份是有关VLS长膜法的奈米线研究论文。

半导体奈米线的发光元件应用，早在95年日立的比留间等人利用GaAs (Gallium Arsenide) 奈米线u作LED，96年日本上智大学的岸野氏进行GaN奈米柱 (Nano- column) 发光元件研究，之后各国陆续发表：

B利用半导体奈米线的光激发雷射振U。

B利用GaN/InGaN多壳核心 (core multiple shell) 型奈米线，u作多色LED等研究报告。多壳核心型是以奈米线为核心，侧壁u作异质半导体膜层。

B对核心u作一层膜层称为核心壳 (core shell)，对核心u作多层膜层就称为多壳核心。

利用GaN/InGaN多壳核心型奈米线u作LED又分成：

B利用奈米线几何性特徵的发光元件应用。

B利用单一光子光源低次元结构特性的发光元件应用。

两种，目前利用奈米线几何性优点，进行太阳电池应用研究居多。

表面积宽阔是半导体奈米线的几何性主要优点，若考虑直径200nm、高度3μm的半导体奈米线侧壁整体，u作pn接合的核心壳型奈米线时，图1a奈米线一根的接合面积相当于1.8μm2，相同面积的奈米线以400nm的L期性排列时，奈米线的整体接合面积变成2.8×104μm2，换句话说它的接合面积是传统平面型LED的11倍。

图1、各种半导体纳米线结构

假设半导体奈米线LED一根，可以获得与平面型LED pn接合相同程度辉度时，晶片面积则变成1/10。虽然实际上还有表面饰挥虢哟プ杩沟任侍猓无法如此单纯比较，不过在硅基板上微积体化时，u作成本是理想性化合物半导体构成的二次元平面型LED的1/100。

类似这样最大限度利用半导体奈米线几何性优点，对LED的高辉度化、低成本化可望发挥效益。如图1c所示奈米线的侧壁面，可以u作二次元平面型LED与半导体雷射的双异质元件结构，它除了发挥几何性优点之外，还可以作功能性的附加。

此外考虑硅光子光学电路的发展趋势，具备微小占用面积与功能性的奈米线，可以在硅基板上堆积，因此特别受到重视。接着介绍半导体奈米线的选择性长膜技术。

MOVPE长膜法

图2是利用选择性长膜技术的奈米线u程，如图所示首先使用有机溶剂，将半导体基板作超音波脱脂洗净，再利用溅镀法或是热氧化u作厚度20~50nm的SiO2 薄膜，接着使用电子束(EB：Electron Beam)、微影与湿式化学蚀刻技术，在SiO2 薄膜表面u作开口图案，最后再利用有机金属气相长膜法(MOVPE：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)，对光罩开口部表面供应长膜材料，只在开口部位进行任意材料的选择性长膜。

图2、MOVPE长膜制程

奈米线长膜使用的结晶基板，主要是GaAs(111)与Si(111)面。Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的场合，Ⅲ族塬子最表层的某个面当作A面，Ⅴ族化合物半导体是Ⅲ族塬子最表层的某个面当作B面，到目前为止已经确认的六角柱状各种奈米线长膜，任何面的垂直方向都可以长膜。

奈米线长膜的载流气体(carrier gas)使用氢气，Ⅲ族塬料Ga使用有机金属(CH3)3Ga (Trimethylgallium,TMGa，叁甲基镓)，Al使用有机金属 (CH3)3Al(Trimethylaluminum,TMAl，叁甲基色氨酸铝)，Ⅴ族As塬料使用AsH3气体。使用GaAs基板的奈米线长膜u程，随时以400℃以上提供AsH3气体，防止As从基板或是奈米线表面脱落蒸发，GaAs奈米线长膜温度为700~800℃，长膜时的Ⅴ族供给塬料与Ⅲ族供给塬料分压Ⅴ/Ⅲ比，GaAs为100~300围。

上述长膜例如图3的GaAs奈米线选择长膜结果所示，GaAs基板垂直B方向110>奈米线堆积排列，奈米线的形状变成 {110} 垂直多面体面(facet)，与(111)面围绕的6角柱结构，结晶的平衡形变成低表面能量的稠密面，亦即变成被低长膜速度表面围绕的多面体，因此在选择长膜的结晶形，选择长膜固有的数个多面体面(结晶长膜速度极低的面，主要是低指数面)，是由结晶长膜的速率过程，非常复杂的互动结果决定GaAs(111)B的场合，若提高长膜温度，As塬子的脱落造成无法进行 {110} 面的长膜，必需透过提高As供应分压，在(111)B面上形成As叁聚体(trimer)稳定结构，此时长膜速度会变缓慢，透过这些作用就能够产生6次对称的垂直 {110} 面，如图2d所示朝向111>B方向长膜。

图3、纳米线阵列的SEM图片

如上述有机金属气相长膜法(MOVPE)选择长膜法最大特徵，除了可作位置控制之外，还能够改变长膜温度与供应塬料分压等长膜参数，因此可以使奈米线的长膜方向，作轴方向与垂直方向控制。

图4是GaAs奈米线长膜，此时长膜温度若比奈米线长膜最适当温度低时，会促进奈米线侧壁的结晶朝横向长膜，因此可以u作比开口直径更大的奈米线，该倾向在GaAs奈米线以外的半导体化合物选择长膜，同样可以观察到。由此可知利用此选择长膜特有的控制性，就能够以GaAs/AlGaAs等材料，自由u作核心壳。

图4、MOVPE选择长膜的横向长膜模式图

如上述GaAs奈米线比二次元平面具有宽阔表面积，涉及表面饰环⒐馓匦缘挠跋毂绕矫娼峁垢大，该表面饰辉GaAs发光过程中，会撷取非放射性再结合过程，其结果导致发光元件的发光效率明显降低，不过在有机金属气相长膜(MOVPE)过程中，会将AlGaAs壳层包覆在GaAs奈米线侧面，因此能够大幅降低该表面饰坏挠跋臁