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❒ 磊晶成長的條件
要成長磊晶(Epitaxy)必須在嚴格的條件下，這些嚴格的條件包括：
➤必須使用單晶晶圓做為基板：這樣才能讓氣體原子一顆一顆地依照單晶晶圓的原子排列慢慢沉積下來，才會長成磊晶。前面曾經提過要讓一群人排列成整齊的隊伍，最簡單的方法是先讓第一排的人排列整齊(排頭為準)，則後面的人只要對準排頭(向前看齊)，自然就會很整齊了。
➤單晶晶圓(基板)的原子大小必須與磊晶相同或相似：如果單晶晶圓的原子大小(晶格常數)與磊晶相同，我們稱為「晶格匹配(Lattice match)」，則可以成長品質很好的磊晶，如＜圖二(a)＞所示；如果原子大小相似，則「勉強」可以成長品質較差的磊晶；如果原子大小相差太多，我們稱為「晶格不匹配(Lattice mismatch)」，則無法成長磊晶，如＜圖二(b)＞所示。要讓一群人排列成整齊的隊伍，第一排的人排列整齊就夠了嗎？試想如果第一排的人都很瘦，而第二排以後的人都很胖，第一排的人排列整齊了，但是第二排的人卻會擠不下，所以要讓一群人排列成整齊的隊伍，必須所有的人胖瘦差不多才行。同理，要成長磊晶，除了使用單晶晶圓做為基板，還必須使晶圓材料與磊晶材料的原子大小相同或相似才行，換句話說，矽晶圓只能成長矽磊晶，最多可以加入原子大小相似的其他4A族元素(例如：鍺)形成矽鍺晶圓(SiGe wafer)；而砷化鎵晶圓只能成長砷化鎵磊晶，最多可以加入原子大小相似的其他3A族與5A族元素(例如：鋁、銦、氮、磷)。知識力www.ansforce.com。
➤必須將單晶晶圓(基板)加熱後再緩慢冷卻：將材料加熱後再緩慢冷卻的步驟稱為「退火(Annealing)」，是成長品質良好的磊晶必備的歩驟。加熱是為了給氣體原子足夠的能量在單晶晶圓表面移動，緩慢冷卻是為了要使氣體原子找到正確的位置沉積，沉積以後則不再到處亂跑，才會形成完美的磊晶。

圖二　單晶晶圓與磊晶的關係。

❒ 緩衝層技術(Buffer layer technology)
直接使用柴氏拉晶法(CZ法)製作砷化鎵晶棒很困難，所以目前工業上只能製作直徑6吋的砷化鎵晶圓，可是工業上可以製作直徑12吋的矽晶圓，那我們可不可以使用MOCVD技術在12吋的矽晶圓上直接成長砷化鎵磊晶呢？ 知識力www.ansforce.com。

不可以，因為砷化鎵的原子大小(晶格常數)與矽晶圓相差太多，無法以矽晶圓當作排頭成長砷化鎵磊晶，如＜圖二(b)＞所示。有趣的是，世界上總是有些科學家可以想到解決的方法，如果要讓原子較大的砷化鎵磊晶成長在原子較小的矽晶圓上，唯一的辦法是在它們之間夾一層原子大小中等的材料，科學家把這一層材料稱為「緩衝層(Buffer layer)」，如＜圖二(c)＞所示。Motorola公司使用緩衝層技術成功地將砷化鎵磊晶成長在12吋的矽晶圓上，當成12吋的砷化鎵晶圓來使用；IBM公司使用緩衝層技術成功地將矽鍺磊晶成長在8吋的矽晶圓上，當成8吋的矽鍺晶圓來使用。怎麼樣，這麼簡單的原理，你(妳)是否也想到了呢？

❒ 公用基板
講到這裡大家可能又會覺得怪怪的，前面兩個例子是使用MBE或MOCVD在「砷化鎵晶圓」上成長「砷化鎵磊晶」，其實得到的只是「厚一點的砷化鎵晶圓」而已。要得到厚一點的砷化鎵晶圓，只要在一開始使用柴氏拉晶法(CZ法)拉單晶得到晶棒(火腿)以後，切成晶圓時切厚一點(火腿切片切厚一點)就可以了，何必多此一舉使用昂貴的MBE或MOCVD來製作磊晶呢？

原因是發光元件必須使用化合物半導體來製作，而且常常需要調整不同元素的含量，例如：砷化鎵(GaAs)發出紅外光、砷化鋁鎵(AlGaAs)發出紅光、砷化鋁(AlAs)發出黃光、磷化鋁(AlP)發出綠光。這些不同的材料如果都要使用柴氏拉晶法(CZ法)拉出單晶晶棒來切成晶圓做成基板，在工業上不符合成本效益，還好這幾種磊晶材料都是屬於3A族與5A族的元素，原子大小與砷化鎵相同或相似，所以可以使用砷化鎵晶圓做為大家都可以使用的基板，在表面長出品質不錯的砷化鎵(GaAs)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、砷化鋁(AlAs)、磷化鋁(AlP)等磊晶來製作不同顏色的發光元件。換句話說，發光二極體會發出什麼顏色的光與基板材料的種類無關，而是與基板表面那一層薄薄的磊晶材料的種類有關，這個部分將在後面詳細討論。因此我喜歡將砷化鎵基板稱為「公用基板」，有了這個公用基板，可以在上面成長許多不同種類的磊晶來降低成本。

氮化鎵(GaN)是工業上最重要的藍光材料，可惜它的原子大小和砷化鎵(GaAs)相差太多，不能使用砷化鎵晶圓做為基板，目前只能使用原子大小(晶格常數)相似的藍寶石晶圓(氧化鋁單晶)做為基板，藍寶石具有價格較高、晶圓尺寸較小、硬度較高不易切割等缺點，而且此一製程的專利目前又掌握在日本的日亞化學(Nichia)公司手中，使得藍光發光元件價格很高。

【延伸閱讀】其他詳細內容請參考「積體電路與微機電產業，全華圖書公司」。＜我要買書＞