氧化鋅基及氮化鋁半導體材料之光學與結構分析

Abstract

氧化鋅是下個世代最熱門的光電材料，有著3.3eV的寬能隙，以及60meV的激子侷限能，加上可以與鎂及鎘共同組成三元或四元化合物，與氮化鎵基的光電材料相類似。在本論文中將會討論氧化鋅塊材、氧化鋅薄膜成長於業界常用的藍寶石基板以及氧化鎂鋅薄膜成長於藍寶石基板。另外由於有相近的晶格及熱擴張係數，氧化鋅被考慮用來當作三族氮化物磊晶成長的基板材料。因此我的工作包含了使用有機金屬化學氣相沈積磊晶技術在晶格匹配的氧化鋅基板上成長氮化銦鎵及氮化鎵磊晶層的分析及研究。因為在成長氮化鎵基底材料元件上，有機金屬化學氣相沈積磊晶為一個主要的生長技術，因此在其成長氧化鋅基板上有需要再全面完整的探索。然而，在使用有機金屬化學氣相沈積磊晶在氧化鋅上成長氮化鎵仍有數個議題待解決。其中一個是氧化鋅基板的熱穩定性，鋅原子會向外擴散到氮化鎵層並且氫氣會背向蝕刻氧化鋅基板，這會造成氮化鎵較不佳的品質。高解析度X光繞射量測可確認出在氧化鋅上成長的氮化銦鎵及氮化鎵薄膜。而透過可變角度橢圓偏振儀、X光電子能譜、二次質譜儀縱深剖面圖、以及歐傑電子能譜縱深剖面圖我們可得到樣品的光學及結構特性。另外，為了避免鋅及氧原子擴散到磊晶層，我們採用兩種方法： 1.在氧化鋅基板上先成長一層氮化鎵緩衝層。 2.在氧化鋅上加上一層氧化鋁的過渡層。 利用歐傑電子縱深剖面能譜以及二次離子質譜儀縱深剖面能譜來研究氧以及鋅原子擴散情形，並以X射線光電子能譜量測並分析表面鍵結。另外最重要的是以可變角度橢偏儀量測並模擬此系列樣品氮化鎵與氮化銦鎵的厚度、介電常數以及折射率與消光係數。 而我論文的第二個部份，是氮化鋁材料的研究。研究的主要課題是討論由有機金屬化學氣相沈積磊晶之氮化鋁的性質。分成兩個主題： 1.C- face的氮化鋁薄膜成長於A，C，M，R- plane的藍寶石基板 2.氮化鋁薄膜成長於不同基板 (藍寶石基板以及碳化矽基板) 利用深紫外光光致發光能譜與陰極發光能譜來研究氮化鋁薄膜缺陷工程，以及掃瞄電子顯微鏡研究表面特性，可變角度橢偏儀量測並模擬此系列樣品厚度、介電常數以及折射率與消光係數。X射線光電子能譜量測並分析不同面向氮化鋁薄膜的表面鍵結。