上蓋板溫度對氮化銦鎵薄膜成長特性

維軋定律(Vegard’s law)估算其組成，以傳統 MOCVD 所成長的氮化銦鎵薄 膜之銦組成 xIn約在 0.50 的位置，而利用雙加熱 MOCVD 系統成長的銦組成 分別為 0.46、0.42、0.42、0.34、0.3、0.15，對應上蓋板溫度 700 ^oC、750 ^oC、

800 ^oC、850 ^oC、900 ^oC、950 ^oC。

但由於銦組成為 0.5 (a)Tc=370^oC (b)Tc=700

(f)Tc=900^oC (g)Tc=950

(002)面的 X 光繞射代表薄膜的 足而在表面形成銦液滴(Indium droplet)或嵌入式金屬銦簇(metallic Indium

(tetragonal)晶格，晶格常數分別為 a=

(metallic Indium

=b=0.325nm，

熱器的半高寬約 1300 arc-sec，與傳統 MOCVD(約 1500 arc-sec)結果相近；

使用上蓋板加熱器成長的樣品，組成半高寬約在 600arc-sec，與傳統 MOCVD 結果相比，在銦組成為 40%附近之氮化銦鎵有明顯改善。根據 G. B.

Stringfellow 教授的熱力學平衡分析[1]，氮化銦鎵之組成越靠近 0.5，不互 鎔現象會更顯著，組成不均勻性會提高。然而 E. Iliopoulos[5]等人利用 MBE 在 400~435 ^oC 成長出全域組成，他們認為在低成長溫度下，能使三族原子

Indium content x^S

In Conventional MOCVD

B. N. Pantha et al.

Two-heater MOCVD with ceiling heater without ceiling heater

圖 4-3 不同銦組成氮化銦鎵薄膜對應的 X 光繞射波峰半高寬

由 XRD 的結果顯示當上蓋板溫度增加時，銦組成有下降的趨勢。傳統

鎵成長效率並無明顯變化；當上蓋板溫度增加至 700 ^oC 時，樣品的氮化銦

(3)高溫寄生反應(parasitic reaction)[44]

0.8 0.9 1.0 1.1

Ceiling temperature 1000/T ((((K^-1))))

γγγγ_InN((((T

Ceiling=370^oC))))

γγγγ_GaN((((T_Ceiling=370^oC))))

((((^oC)))) Tg=625^oC

當成長溫度提高時，由於 In-N 鍵(1.93 eV)較弱，易被打斷而發生銦脫 附現象。 2007 年 C. S. Gallinat 等人在真空環境下測量氮化銦隨成長溫度變 化時的銦脫附量，發現當成長溫度提高於 595^oC 時，銦脫附量開始明顯增 加，變化趨勢的活化能約 1.15 eV，與氮化銦成長速率隨溫度變化的活化能 (1.2eV)相近。此外他們也量測從液態銦的脫附銦原子的活化能為 2.49eV[42]，

代表氮化銦成長速率隨成長溫度提高而下降，是來自氮化銦分解過程中的 銦脫附所致。

上蓋板溫度使氮化銦成長效率降低的另一個可能性是氫氣的影響。

1997 年 E. L. Piner 等人[43]發現當成長氮化銦鎵通入的氫氣達 20sccm 時，

氮化銦鎵薄膜內的銦組成會明顯降低，在 1990 年 Y. Horikoshi 等人指出氫 氣會降低表面銦原子停留的生命期[45]，故隨氫氣流量增加會減少可鎔入銦 含量。此外，也發現隨氨氣流量提高，樣品的銦組成並沒有改變，這代表 從氨氣分解的氫氣所佔分壓低，對樣品的銦鎔入率影響不顯著。所以我們 可以排除隨上蓋板溫度增加，氨氣分解出氫氣的影響。

在 MOCVD 系統中需考慮在高溫環境下發生的寄生反應(parasitic reaction)。2008 年，美國 Sandia 國家實驗室[44]將氬離子雷射光束透過視窗 入射通過 MOCVD 成長表面，研究由寄生反應形成的奈米粒子造成的雷射 光散射，發現散射峰值發生在距離成長表面約 2mm 處，且隨成長溫度提高，

奈米粒子造成的散射光強度增加。此外他們也透過散射光強度隨散射角度

變化關係，計算出奈米粒子大小約 24~45 nm，密度則隨成長溫度提高而增 中的氮化銦成長效率下降，並不如 Michael E. Coltrin 等人[44]發現奈米粒子 的數量變化，顯然形成銦奈米粒的消耗方式在這套系統並不嚴重。為釐清

度為 900^oC。圖 4-5 為不同成長溫度成長之氮化銦鎵薄膜的 X 光繞射圖譜，

Growth efficiencyγγγγ((((µµµµm/mol))))

Growth temperature 1000/T ((((K^-1))))

γγγγ_GaN

γγγγ_InN

Ea=1.12eV

((((^oC)))) Tceiling=900^oC

在氣墊旋轉(gas foil rotation)式石墨載台的設計中，磊晶片承載碟盤與石墨 載台之間有通入作為推動碟盤旋轉的氣體(rotation gas)間隔，溫度控制是由 熱電偶量測石墨載台作回授控制，因此實際磊晶片表面溫度與載台溫度會 有差異。H. Hardtdegen 等人[46]利用光測溫(light-pipe pyrometers)發現在載 台溫度 1090 ^oC 的條件下，rotation gas 增加會使承載盤表面溫度下降 15 ^oC，

且表面溫度也會受環境氣體的冷卻效應(cooling effect)影響而降溫，使成長 表面溫度與載台溫度產生差距，此效應與 ambient gas 的熱傳率(thermal conductivity)有關，熱導率越高溫差越小[47]。2011 年 D. Fahle et al.[40]以增 設上蓋板加熱的方式改良行星反應腔體(planetary reactor)MOCVD 系統成長 氮化鎵，固定表面溫度在 1050 ^oC 的條件下增加上蓋板溫度至 1100 ^oC 時，

載台溫度會低於表面溫度達 130 ^oC，代表此時表面受熱來源主要來自上加 熱器。然而上述兩案例都是在 1000 ^oC 以上，而我們則是在 625 ^oC，為了驗 證上蓋板加熱對承載盤加熱是否在低成長溫度下也有相同效果，我們以熱 傳導及熱傳遞來作簡單估計。

由輻射熱能公式：

4 emitted

Q =εσAT (1)

其中 Qemitted為輻射功率，ε 為放射率，σ 為史蒂芬-波茲曼常數(5.67×10^-8

W/m²*K⁴)，A 為輻射表面積，T 為物體溫度。假設上蓋板與載台都是黑體，

且放射率都為 1，則兩黑體間的輻射熱能交換可表示如下：

4 4

400 600 800 1000

-100 0 100 200 300

Heat transfer to surface (W)

Ceiling temperature((((^oC))))

This work((((T

g=625 ^oC))))

圖 4-7 隨上蓋板溫度增加傳遞至基板表面的熱能估計