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砷化镓晶圆接合介面观察以及接合介面随温度变化和电性的关系21
二、砷化鎵晶圓接合介面觀察以及接合介面隨溫度變化和電性的關係 2.1. 研究背景回顧以及溫度對於砷化鎵半導體電性之影響 以砷化鎵為主的化合物半導體光電元件是被應用廣泛的一種半導體,包括了高 速 高頻元件、發光元件以及光學通訊發光源/ 等等重要的應用。為了發展更前瞻且 複雜的光電元件,兩層 (2-layer)的三五族化合物半導體的晶圓接合已經被研究一 段時間了[ 1-3 ],當然砷化鎵材料被是應用最廣泛的,多層砷化鎵晶圓接合已被應 用在一些非線性光學的元件上[ 4 ]。然而,這些高溫接合製程衍生出的缺陷經常會 影響其元件應用,所以,瞭解這些高溫製程所生成的缺陷是必要的。 2.1.1. 砷化鎵化合物半導體基本特性 1. 晶體結構 砷化鎵化合物半導體是屬於閃鋅礦結構 (Znicblende structure)如 2.1圖所示 ,其晶格常數 (Lattice constant) 為 0.565 nm ,圖中指出是砷原子佔據面心 [5 ] 立方 (FCC)的位置,而鎵原子相對這位置平移了 (1/4 a + 1/4 b + 1/4 c ; a, b, c 代表三軸 ) ,而這位置其實就是面心立方體 (Face Center Cubic; FCC) 四面體間 隙的位置。事實上,這結構與矽半導體幾乎一樣,只不過這結構中所有的位置 都被矽原子佔據,一般稱為鑽石結構 (Diamond structure) ,另外,這兩種結構 同屬為立方晶系。 2. 光電性質 砷化鎵與矽兩半導體最大的不同就屬光電特性的差異,而與材料光電特性息 息相關的就屬電子能隙 (Energy band gap) 。圖2.2就是電子能量 -波向量 (E-k) 的關係圖,圖 2.2(a) 導電帶能量最低處與價電帶能量最高處為同一個波向量, 這種能隙稱為直接能隙 (Direct energy band gap) ,電子電洞可以在同一向量作- 再結合 (Recombination) ,所以直接能隙的材料會因此行為發光,砷化鎵就屬這 類材料。然而,圖 2.2(b) 稱為間接能隙 (indirect energy band gap) ,矽是屬於間 接能隙材料,此種間接能隙材料無法直接作電子電洞再結合,要作再結合必須- 再利用聲子 (Phonon)作協助,因此矽是屬於不會發光的材料。 - 40 - 3. 電子特性 電子特性也是與能帶結構 (Band structure) 有關係,一般來說砷化鎵的電子 遷移率 (Electron mobility)約是矽的六倍,電子飄移速率(Drift velocity)也比矽來 的高,另外砷化鎵的能隙 (Band gap) 亦比矽來的高,這些特性常使砷化鎵被應 用來製作低雜訊的功率放大器、高頻微波元件 以及人造衛星上的電子元件。並 且,砷化鎵半導體可以製作高阻值的半絕緣晶片(109 Ω-cm) ,若是砷化鎵不摻 雜,就是所謂的半絕緣(Semi-insulator )的半導體,因此電子高頻元件可以得 到很好的絕緣。然而,砷化鎵缺乏一個穩定的氧化層,但矽具有一個非常穩定 的氧化層 -二氧化矽,這氧化層可以被用來製作金屬氧化物- -半導體電晶體,並 且,矽半導體可製作積集度非常高的電子元件積體電路- (Integrated circuit) ,這 也是為什麼矽半導體會在現今電子工業使用得如此頻繁的原因。 2.1.2. 砷化鎵在高溫製程下的缺陷 晶圓接合的製程一般都是在高溫執行的,其目的不
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