採用發光二極體(LED)光源是下一代照明產品的設計趨勢。LED光源壽命長、效率高、能耗低的特質，使其照明燈具擁有傳統照明燈具無法比擬的優勢；再者，LED產業與目前各國積極推動的低碳、節能政策，如美國能源之星(Energy Star)計畫、日本「Eco-Point」制度、南韓「15/30」與「綠色LED照明普及發展方案」、中國大陸「十一五」與「十二五」、台灣「擴大設置LED路燈節能計畫」與「綠能旭升產業方案」等政策目標相符。至今，全球LED光源產業鏈已趨完整。
現今LED商品發光效率已超過120lm/W。在照明應用產品日益成熟的趨勢下，LED應用領域將更加寬廣。2012年底，取代40瓦白熾燈的LED燈泡價格已跌至10美元的甜蜜點，大幅提升LED照明於一般家庭的市場滲透率。根據工研院產業經濟與趨勢研究中心(IEK)預估，2020年全球LED照明產值將上看658億美元，成為LED產業的主要應用市場。然而，隨著LED照明逐漸成為未來市場主流，LED進入障礙亦因此降低，未來現有廠商間的競爭更為激烈。
目前商品化的氮化鎵(GaN)半導體光電元件均以藍寶石(Sapphire)與碳化矽(SiC)基板為主，為能取代現有照明產品，仍須降低近十倍的成本，如何提升LED效率及降低製造成本，成為目前各家廠商戮力的目標。
近年來，矽基氮化鎵(GaN-on-Si)LED挾帶著大尺寸低成本優勢，逐步挑戰藍寶石基板氮化鎵LED的地位。愛思強(AIXTRON)曾公開表示，若將現有五十六片2吋藍寶石基板氮化鎵LED，轉換成五片8吋矽基氮化鎵LED，並成功整合現有互補式金屬氧化物半導體(CMOS)製程，預估磊晶設備成本可減少58%，運轉成本可減少58%，元件生產率可大幅提升6.4倍；若矽基氮化鎵LED發光效率和可靠度能媲美藍寶石基板的氮化鎵LED，則其用於照明產品將是指日可待。
目前大尺寸矽基氮化鎵LED仍有許多問題須克服，包括晶圓彎曲度和薄膜龜裂、氮化鎵薄膜品質和表面平整度、N型氮化鎵摻雜濃度和厚度、發光波長均勻度和內部量子效率、元件可靠度及薄膜式元件製程。
借助島狀結構設計 晶圓彎曲度/薄膜龜裂難題有解
由於氮化鎵與矽基板之間熱膨脹係數差異(達54 %；氮化鎵5.59×10-6 K-1，矽2.59×10-6 K-1)遠較其與藍寶石基板大(達34%)，此將造成氮化鎵磊晶薄膜於生長結束後的降溫過程中，會因張應力(Tensile Stress)過大而產生晶片彎曲及龜裂現象，進而降低元件良率，此彎曲程度遠較氮化鎵薄膜成長在藍寶石基板大許多。也因此，矽基氮化鎵的成長條件迥異於藍寶石基板氮化鎵，於其上成長LED結構時(含μ-GaN、n-GaN、QWs及p-GaN等)，各磊晶層的熱膨脹係數皆須考慮，因此調整每一磊晶層的曲率半徑是必須的(圖1)。
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| 圖1 各磊晶層堆疊時的曲率半徑 |
為有效消除氮化鎵薄膜與矽基板之間的晶格常數與熱膨脹係數上的差異，目前在學術論文上最常發表的就是使用氮化鋁鎵系列的緩衝層，其原因為透過調整氮化鋁鎵薄膜裡的鋁與鎵元素比例，進一步改變與矽基板熱膨脹係數的差異。另外，利用相對於較氮化鎵薄膜成長溫度的低溫做氮化鋁鎵薄膜成長，可製造出因晶格差異所產生的缺陷，並加大表面的不平整度，藉此現象來釋放磊晶時所累積的應力。
工研院目前使用自有的島狀結構設計，藉由改變不同島狀磊晶結構，已可在6吋矽基板上，成功成長出超過5微米厚度的氮化鎵磊晶薄膜，並藉由多層式氮化鋁鎵組成漸變緩衝層，以減少氮化鎵成長於矽基鈑上，因熱膨脹係數的大幅差異所造成的張應力產生，進而導致晶片破裂(使用島狀結構在3微米厚度氮化鋁鎵緩衝層生長後，可減少大約30%之應力)(圖2)。
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| 圖2 島狀緩衝層磊晶結構 |
借力In-situ氮化矽結構 改善氮化鎵薄膜品質/表面平整度
借力In-situ氮化矽結構 改善氮化鎵薄膜品質/表面平整度
由於氮化鎵與矽基板之間的晶格不匹度仍高達16.9%，再加上須使用氮化鋁鎵材料做為緩衝層，容易導致大量的缺陷產生在薄膜中，若不將缺陷密度抑制在N型氮化鎵薄膜底層，將造成N型摻雜薄膜的載子遷移率下降；若延伸到發光層裡面，更會形成非輻射復合中心，進而導致發光效率大幅減弱。
工研院使用臨場(In-situ)的氮化矽結構做為缺陷阻擋層(圖3)，在最佳的條件下，可有效降低(102)面的缺陷密度(002=430 arcsec和102=1350 arcsec)並改善薄膜表面平整度(RMS=0.5nm)；更進一步使用雙層In-situ的氮化矽技術，則能將氮化鎵薄膜品質提升到(002)=375 arcsec和(102)=450 arcsec。
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| 圖3 不同成長時間之氮化矽磊晶層對於氮化鎵薄膜品質和表面粗糙度量測圖 |
矽摻雜調變方法襄助 N型氮化鎵摻雜濃度再進化
N型氮化鎵磊晶層係目前矽基氮化鎵磊晶技術最具挑戰的地方，其原因是矽摻雜於氮化鎵薄膜時，會造成大幅度的張應力產生，與矽基氮化鎵降溫時所造成的應力相同，使得氮化鎵薄膜更容易龜裂。再者，配合薄GaN元件產品的高摻雜(5E18cm-3)N型濃度和厚度(>2微米)需求，更將是當今亟須克服的難題。
工研院使用特殊的矽摻雜調變方法，使得N型氮化鎵厚度在1.5微米左右，其摻雜濃度仍可達4E18 cm-3，載子遷移率為254cm2/V-s(圖4)。
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| 圖4 N型氮化鎵之光學顯微鏡量測和Hall量測圖 |
發光波長均勻度和內部量子效率獲提升
現階段，由於大尺寸矽基氮化鎵磊晶片良率不高，導致元件成本無法大幅降低，影響良率的因素在於氮化鎵成長於矽基板之間的熱膨脹係數差異過大，因此於其上成長LED結構時(含μ-GaN及n-GaN等)，各磊晶層的熱膨脹係數皆須考慮進來，換言之，調整每一磊晶層的曲率半徑是必須的。
目前國際間最佳的6?8吋晶圓膜厚不均勻性小於10%，無法達成業界高功率LED良率大於90%以上的需求，工研院利用上述方法控制，現已可達到6吋矽基氮化鎵發光元件的晶片彎曲度小於50微米；藍光光激螢光光譜標準差小於2%(圖5)，且經由與國內大學實驗室合作對於LED量子井品質之分析(圖6)，可知GaN-on-Si多量子井(MQW)品質已與藍寶石基板相當，且內部量子效率(IQE)超過70%。
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| 圖5 6吋矽基氮化鎵晶圓之曲率和光激螢光光譜圖 |
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| 圖6 氮化銦鎵發光二極體於藍寶石基板與矽基板之內部量子效率量測圖 |
憑藉薄膜品質升級 元件可靠度再躍進
至今，矽基氮化鎵LED仍未有終端產品上市，在元件可靠度上是否可符合現有藍寶石基板氮化鎵LED產品規範，仍備受質疑。
工研院的實驗結果顯示，受測元件大小為15mil2，在20毫安培電流注入下，溫度為85℃、濕度為30%；500小時測試下，其光輸出強度差異為2.03%、順向電壓差異為1.01%、逆偏漏電流為0.002%，其元件可靠度幾乎等於工研院所製造的藍寶石基板氮化鎵LED，由此可知，透過氮化鎵薄膜品質的提升，矽基氮化鎵發光元件的可靠度，相當有機會與現有藍寶石基板氮化鎵LED競爭。
軟性壓合基板/墊片解圍 薄膜式元件製程瓶頸突破
目前薄膜式矽基氮化鎵元件製程，存在幾個重要的問題須克服(圖7)，首要問題係矽基氮化鎵元件薄膜厚度不均勻和晶圓的彎曲度過大，尤其是在磊晶片尺寸放大時更為嚴重。氮化鎵元件薄膜厚度不均，會導致在磊晶片對壓合基板(Submount)的壓合(Bonding)製程中，壓力過度集中在厚度較厚的區域，造成磊晶片破裂和壓合不良的情形。
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| 圖7 薄膜式矽基氮化鎵元件製程 |
工研院在壓合製程中，使用適當的軟性壓合基板和墊片可解決此問題。至於在壓合製程之後的彎曲度問題，工研院選擇熱膨脹係數和氮化鎵接近的壓合基板材料避免此問題。此外，還必須發展矽蝕刻液耐受性高的鈍化層材料，以防止矽基板移除製程時，發光元件也會被矽蝕刻液破壞，造成良率不佳的問題。
綜合上述技術來看，工研院電光所已可成功製作6吋矽基氮化鎵發光元件，更積極朝向8吋技術邁進。技術上而言，矽基氮化鎵發光元件在未來2?3年，有潛力取代現有藍寶石基板氮化鎵發光元件，挑戰現有傳統照明成本。然而，矽基氮化鎵LED要成功，仍在於8吋以上矽基板的成本優勢，目前國外指標廠商，包含三星(504mW for 40mil晶片,8吋)與日本東芝(614mW for 40mil晶片,8吋)，可憑藉著垂直整合優勢達成，但台灣LED廠商並無自家矽半導體資源，須以水平整合方式開發此產品，因此如何整合現有LED與矽基半導體廠商，將是未來國內廠商遇到最大的挑戰點。
功率元件為GaN-on-Si延伸應用
大尺寸矽基氮化鎵除應用在LED外，功率元件更是另一個蓬勃發展的技術，主因係矽晶體本身材料特性上的限制，使得以矽為基底的功率電子元件性能已趨近於極限，故日本的三菱(Mitsubishi)雖一直在全球的絕緣閘雙極性電晶體(IGBT)市場保有最大的市占，仍從2000年始研究碳化矽與氮化鎵寬能隙材料，並於2004年將碳化矽元件規畫為未來新的功率電子元件。
碳化矽蕭特基二極體(SBD)、碳化矽金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)及GaN高速電子移動電晶體(HEMT)，因其材料的獨特性，使其可以提供更低的導通阻抗、更快的切換速度、可承受更高溫的操作環境及更低的功率損耗，因此碳化矽與氮化鎵元件被視為新一代的功率半導體元件技術。
矽基氮化鎵功率元件最有機會切入的應用領域會在崩潰電壓0?900伏特，1.2kV以上仍具有相當大的挑戰性，其產值預估從2014年約新台幣10億元，成長至2020年的新台幣160億元，市場成長力道強勁。以技術而言，功率元件僅須成長到LED結構裡的μGaN即可，但所需要的厚度較LED使用的還厚，因此氮化鎵與矽基板之間的緩衝層技術，仍可利用現有矽基氮化鎵LED技術做延伸開發。於是乎，矽基氮化鎵元件除在LED應用面上有機會取代傳統照明之外，功率元件更是另一個新興市場所在。
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