應用於超高亮度發光二極體的先進有機金屬化學氣相沉積法
以有機金屬化學氣相沉積法(metal organic chemical-vapor deposition, MOCVD)進行超高亮度發光二極體(ultrahigh-brightness light-emitting diodes, UHB-LED)多成份結構的製造，需要將薄膜厚度精確的控制在1%以內，全基板表面面積需維持1%的成份均勻性(composition uniformity)，同時要控制異質結構(heterostructure)介面的品質與明確，後者為一個單層的等級。UHB-LEDs的發光結構經常包含50到60層不同摻雜濃度、薄層厚度的沉積層，要連續完成所有的沉積步驟，在一個批式反應器裝載(batch reactor load)得花上5個小時以上。
儘管UHB-LEDs的複雜性，從生產與應用觀點而言，此些商用元件的任何製程改善對量產都有所裨益。雖然目前的MOCVD反應器能獲得所欲生產UHB-LEDs的沉積規格，不過經由增加反應器、基板或兩者尺寸的增加，在大面積沉積仍能獲得持續改善。
發光二極體製程的先進MOCVD技術
MOCVD所使用的承載氣體流(carrier gas flow)包含有機金屬前驅物(metal organic precursors)的稀釋混合。混合氣體以50～500torr的壓力流入反應器腔體，在腔體內傳統的三五族材料基板承受攝氏600到800度的溫度，氮化鎵(GaN)材料則高達攝氏1200度。反應氣體分解並沉積一層薄的三五族材料(例如：砷化鋁鎵、磷砷化銦鎵、氮化銦鎵等)磊晶層，厚度依照需求從幾個奈米到幾個微米。
使用於UHB-LEDs生產的先進MOCVD反應器以燈或電阻加熱器加熱，或者以承座(susceptor)下方的線圈感應加熱。於Aixtron反應器，批次量產化的沉積是由反應器承座中央到外緣的反應物輻射流完成，同時反應器內的晶圓承受行星式動作(planetary motion)，此種以自轉及公轉方式運動的機構能藉著沉積平均化，增進沉積層的厚度與均勻性。
使用於MOCVD的化學前驅物相當昂貴，同時MOCVD反應器的沉積使用效率接近50%(即噴入反應器的原子，其中的50%能以薄膜方式沉積在基板上面)，此數據接近理論極限，而且主要受反應器設計所控制，因此改善空間不大。當反應器設計更進一步的加強時，也許僅能增加5%。
MOCVD的產能幾乎與使用的基板尺寸無關，提高產能的有效方法包括更迅速的、更精確的溫度提升與控制，以持續降低製程時間(cycle time)；改善維護與保修過程；以及更佳的設備可靠度。
計算流體動力學模擬促進MOCVD的技術提昇
於了解與發展先進的生產規模MOCVD反應器時，計算流體動力學(CFD)電腦模擬的使用扮演一個關鍵角色，讓反應器能提供目前所需求的薄層與介面控制。CFD能改善反應器設計與製程、縮減研發週期、更有效率的應用研發與測試經費。
大體而言，MOCVD生長過程的計算模式是根據預測流量、熱量與質量傳送的第一定律，並輔以恰當的邊界條件，解決在二維或三維領域相對應於第一定律的輸送方程式。MOCVD製程電腦模式不但包含Navier-Stokes流場，也包括MOCVD過程中的跨領域物理與化學程序，Navier-Stokes流場(經常是不可壓縮低壓內流)則是CFD的古典領域。
於試圖模擬MOCVD反應器的過程，製程環境詳細熱傳導的精確預測為決定成份分佈(species distribution)以及薄層厚度、構成的必要步驟。化學元素的擴散性質、氣相、表面反應速率以及表面併入(surface incorporation)對設備的熱場分佈都極為敏感。由於基板的高溫與高溫度差異性，熱輻射顯得是熱傳導的統御模式(governing mode)。
例如，目前已知MOCVD反應器設計需要清楚的了解電磁場與熱傳導之間的關係，於反應器腔體內部係使用行星式設計(自轉及公轉式機構設計)，感應功率密度分佈也是必要知識。以計算流體動力學找出此些參數的特性，能獲得極佳溫度分佈的腔體設計(如圖一與圖二)。
利用電腦模擬所獲得之知識，我們在反應器成長區能夠設計正負一度的表面溫度均勻性，此種溫度均勻性是多元層(例如氮化銦鎵、磷砷化鎵等)於MOCVD成長過程，成份併入以及最終材料性質得以成功的要素。
製程結果的另一個關鍵議題為氣體輸送與氣體噴入製程腔體的設計，設計議題與所給予的前驅物有關，包括將限制成長性的三族成份適當的噴入沉積區域；避免於承座中心與晶圓前方沉積；三族與五族成份的延後混合以避免發生過早反應的任何風險，以及避免任何渦流的出現。
未來的努力方向
最先進的有機金屬化學氣相沉積反應器可以容納49片的2英吋基板，對第一代每個製程僅能處理7片2英吋基板的量產型反應器構型而言，性能足足提昇了七倍。儘管已經證明是有可能製造一部處裡百片2英吋晶圓的反應器，不過發光二極體製造廠極不可能願意冒這個風險，去沉積超過50片的2英吋晶圓總面積，製造廠只要控制每個生產製程的發光二極體基板數量相關風險即可。
業界正努力於促進超過2英吋的基板晶圓(例如到6英吋)，不過因為砷化鎵與藍寶石基板易碎性所帶來的持續限制，以及已建立的2英吋LED廠房生產線與設備成本效應所給予的束縛，砷化鎵與藍寶石基板幾乎確定不會如矽基板生產般的發展其尺寸。
氮化鎵基超高亮度發光二極體(GaN based UHB-LEDs)替代材料的研發工作也正在進行之中，目前最常使用的是藍寶石基板，不過由於晶格不匹配(lattice mismatch)，造成基板表面後續的氮化鎵層容易產生許多缺陷，使得產出的高亮度發光二極體性能受限。有兩種方法可用來解決此問題：(1)採用較藍寶石便宜的基板，(2)採用性能增加的基板。
欲求更便宜的基板材料，得把目標放在矽材料上。Aixtron AG公司應用其生產磊晶的經驗，正與德國、白俄羅斯幾個大學與機構合作，進行矽晶圓生長氮化鎵的研發。矽晶圓的使用能讓業界製造更具成本效應的發光二極體，此為將發光二極體引入一般照明應用的必要條件。儘管實驗室規模的研究充滿前景，以矽晶圓所製造的發光二極體性能(如：亮度、順向電壓以及靜電釋放)仍未達到藍寶石基板所獲得之水準，然而一般都相信經由元件最佳化與工程改善，最終將獲得所需要的性能。
另一種解決方法則是研發能增進性能的基板—即氮化鎵單晶片(GaN single-crystal wafer)，以有機金屬化學氣相沉積法於其表面生長氮化鎵的同質磊晶層(homoepitaxial GaN layers)。此種製程特別應用於藍光雷射二極體，不過如果這些新基板的成本具有競爭性，也適用於超高亮度發光二極體。目前，一片2英吋的氮化鎵晶圓約值一萬美元，因此仍有努力空間。基板業界需要發展與探測新的技術藍圖以降低氮化鎵單晶的製造費用。其中一種方法會用到符合成本效應、多晶片的氫化物氣相磊晶法(hydride vapor-phase epitaxy)。SST-AP/Taiwan
致謝
Planetary Reactor 為Aixtron AG 公司註冊商標。
更詳細的資料請洽BERND SCHULTE，德國Aixtron AG公司化合物半導體技術執行副總裁與執行長，聯絡地址：Aixtron AG, Kackertstr. 15-17, 52072 Aachen, Germany；電話：49/241-8909-123；傳真：49/241- 8909-452；電子郵件信箱：B.Schulte@aixtron.com。