在此次的研究，我們使用傳輸線模型來計算金屬半導體接面的特 徵接觸電阻 (specific contact resistance，ρC)，藉由所得到的ρ
C值來判斷其歐姆接觸 (ohmic contact) 特性的好壞。
從 TLM 得知：
ρC = RC Lt W (2-2-1)
其中 R C為接觸電阻值 (contact resistance，單位為歐姆)，Lt為轉 換長度 (transfer length，單位為微米)，W 是電極之寬度 (單位為 微米) 。
圖 2-2-1 為此次研究所使用之 TLM 之圖樣，其每個電極的寬度 (W) 為 100 微米。我們設計兩兩電極間具有不同間距，其間距分別為 5、
10、15、25、35、50 和 60 微米，因此我們可測得七組不同間距的電 阻值，然後畫出電阻與間距 (R-L) 的關係圖，並將此七點做直線逼近 (linear fit)，在 L=0 處之 R 軸截距就是 2RC，在 R=0 處之 L 軸截距 就是 2Lt (見圖 2-2-2)。然後，將此計算所得的 R C、Lt代入 (2-2-1) 式便可得到ρC值。
4. 電容－電壓 (capacitance-voltage，簡稱 C-V)法量測
對於蕭特基二極體的位障可以電容－電壓法來測得，其蕭特基位 障 (Schottky barrier height，簡稱 SBH)的電容－電壓關係如下 (1/C)2 = (2/εqNA2)( Vi –V–kT/q) (2-3-1) 其中 V 為逆向偏壓之電壓值，A 為蕭特基電極的面積，ε為半導體的 介電常數 (氮化鎵的ε值為 9.5εO[35])。
qΦB = q (Vi +Vn) (2-3-2) 其中 qΦB為 SBH，Vi為內建電位(built-in potential)，而 (2-3-2)
式中的 Vn (導帶與費米能階的能量差) 如下
Vn = (kT/q)ln(NC/N) (2-3-3)
上式中的 NC為半導體傳導帶之有效能階密度 (氮化鎵的 NC值為 2.53×
1018 cm-3 [36])。
於是，我們利用所測量所得的單位面積電容與電壓之關係後，利 用 (2-3-1)式得出雜值分佈。若 N 為定值則 A2/C2對 V 作圖可得一條直 線，從此直線找出當 A2/C2 =0 的截距 (Vo，Vo = Vi - kT/q) 即可得到 內建電位 Vi。然後將 N 代入 (2-3-3)式便可算出 Vn。最後將先後得到 的 Vi 和 Vn代入 (2-3-2)式便可求出蕭特基位障。
5. 光子激發光光譜 (photoluminescence，簡稱 PL) 測量 PL 量測系統是以氦鎘(He-Cd)雷射當光源，其原理為當雷射光入射 到真空室中的試片時，雷射所供給的能量必須大於半導體能隙的能 量，如此才能使位於價帶的電子獲得足夠能量躍升到導帶。換句話說，
也就是當光子入射到試片之價帶的位置，產生電子電洞對，並給予電 子大於能隙的能量，然後電子會再從導帶掉至價帶，此行為包含幾種 機制，分別是導帶的最低點到價帶的最高點的移動與結合，還有導帶 到受體 (acceptor)、施體(donor)到價帶，施體到受體的位置，都有 機會發生電子和電洞的結合與產生。也就是說，當電子從高能階掉至
低能階與電洞結合時便會放出光子。若電子從導帶直接掉到價帶，則 放出光的能量剛好為 hυ = EC – EV (eV) 也就是能隙之大，υ是光 的頻率，EC是導帶的能量，EV為價帶的能量。綜觀上述，不難理解利 用 PL 進行試片測量能夠得知材料的能隙，然後對發光元件所測出的波 長或頻率得以更深入探討元件內部結構與其缺陷 (defect)。
三、 實驗步驟
1.實驗 A---利用 XPS 觀測未使用與使用硫化銨溶液處理的氮化鎵表面 之差異
<步驟>
(a). 此 次 實 驗 所 選 用 氮 化 鎵 是 利 用 有 機 化 學 氣 相 沉 積 法 (metalorganic chemical vapor deposition，簡稱：MOCVD)長 於藍寶石基底上。先成長 650 nm 厚的緩衝層於藍寶石基底上，
其溫度為 520oC，再成長 1.2 微米厚的 Si 摻雜 N 型氮化鎵，其溫 度為 1050oC。磊晶成長源是高純度之三甲基鎵 (TMGa) 及氨氣 (NH3)， 其 Si 摻雜源為 SiH4。 此 N 型氮化鎵之載子濃度為 6.2×1017cm-3，遷移率為 350 cm2/V-s。
(b).將兩片相同氮化鎵試片分別以下列化學藥品各處理五分鐘：三氯 乙烯(TCE)、丙酮(ACE)和甲醇(methonal)等溶液。
(c).將試片以去離子水(DI water)沖洗五分鐘並用氮氣槍吹乾。
(d).取其中一片試片放入 60oC 的黃色硫化銨溶液 (含硫量為 6%) 中持 續加熱 20 分鐘。然後浸於去離子水中再用氮氣槍吹乾。
(e).利用 XPS 觀測此兩片氮化鎵試片。
2. 實驗 B---觀測未使用與使用硫化銨溶液處理的氮化鎵於蒸鍍金屬 電極後未經熱處理與經過熱處理之電特性分析與比較
<步驟>
(a).此次實驗所選用氮化鎵是利用有機化學氣相沉積法長於藍寶石 基底上。先成長 650 nm 厚的緩衝層於藍寶石基底上，其溫度為 520oC，再成長 1.2 微米厚的 Si 摻雜 N 型氮化鎵，其溫度為 1050oC。磊晶成長源是高純度之三甲基鎵 (TMGa) 及氨氣 (NH3)，
其 Si 摻雜源為 SiH4。此 N 型氮化鎵之載子濃度為 6.2×1017cm-3， 遷移率為 350 cm2/V-s。
(b).製作 TLM 之矩形高台於氮化鎵表面：先蒸鍍 Ni/Au(50/600 nm) 於 氮化鎵表面製作高台形狀的金屬面罩，然後利用反應離子蝕刻系 統(RIE)來進行氮化鎵的乾式蝕刻。然後將試片浸泡於王水溶液 中，以便移除 Ni/Au 金屬面罩。
(c).將氮化鎵試片切割成四片，分別以下列化學藥品各處理五分鐘：
三氯乙烯、丙酮和甲醇等溶液。
(d).將四片試片以去離子水沖洗五分鐘並用氮氣槍吹乾。
(e).取其中三片試片放入 60oC 的黃色硫化銨溶液 (含硫量為 6%) 中分 別持續加熱 10、20 和 30 分鐘。然後浸於去離子水中再用氮氣槍 吹乾。
(f).取其中一片試片放入 70oC 1M KOH 溶液中持續加熱 30 分鐘。然後 浸於去離子水中再用氮氣槍吹乾。
(g).將四片試片利用曝光顯影技術完成欲蒸鍍金屬電極的圖案，接著 再以電子槍蒸鍍機(E-gun evaporator)蒸鍍鈦/鋁(50/150 nm)於 試片上。
(h).利用 HP4145B 半導體元件參數分析儀量測此四組試片的電特性。
(i).將所有製作完成之試片放入高溫爐於氮氣環境，以 300oC 進行熱 處理並用 HP4145B 分別量測其電特性。
3. 實驗 C---估算氮化鎵使用硫化銨溶液處理前後之表面態密度變化
<步驟>
(a).此次實驗製作氮化鎵蕭特基二極體，其所選用氮化鎵是利用有機 化學氣相沉積法長於藍寶石基底上。先成長 650 nm 厚的緩衝層 於藍寶石基底上，其溫度為 520oC，再成長 1.2 微米厚的 Si 摻雜 N 型氮化鎵，其溫度為 1050oC。磊晶成長源是高純度之三甲基鎵 (TMGa) 及氨氣 (NH3)，其 Si 摻雜源為 SiH4。此 N 型氮化鎵之載 子濃度為 6.2×1017cm-3，遷移率為 350 cm2/V-s。
(b).製作蕭特基電極圓柱狀之高台於氮化鎵表面 (圓形接面的直徑為 400 微米)：先蒸鍍 Ni/Au(50/600 nm) 於氮化鎵表面製作圓柱高
台形狀的金屬面罩，然後利用反應離子蝕刻系統 (RIE) 來進行 氮化鎵的乾式蝕刻。蝕刻深度估計約為 500 nm。
(c).將兩片相同氮化鎵試片分別以下列化學藥品各處理五分鐘：三氯 乙烯、丙酮和甲醇等溶液。
(d).將兩片試片以去離子水沖洗五分鐘並用氮氣槍吹乾。
(e).將兩片試片放入 60oC 的黃色硫化銨溶液 (含硫量為 6%) 中持續加 熱 20 分鐘，再以去離子水沖洗並用氮氣槍吹乾。
(f).製作蕭特基二極體的歐姆電極： 將兩片試片利用曝光顯影技術完 成欲蒸鍍歐姆金屬電極的圖案，再以電子槍蒸鍍機蒸鍍鈦/鋁 (50/150 nm)於試片上，然後於氮氣中以 300oC 進行熱處理 4 分鐘。
(g).將其中一片試片放入 60oC 的黃色硫化銨溶液 (含硫量為 6%) 中持 續加熱 20 分鐘，再以去離子水沖洗並用氮氣槍吹乾。
(h).然後將兩片試片浸泡於王水溶液中，以便移除 Ni/Au 金屬面罩。
(i).製作蕭特基二極體的蕭特基電極：將兩片試片利用曝光顯影技術 完成欲蒸鍍蕭特基金屬電極的圖案，再以電子槍蒸鍍機蒸鍍鎳/
金(20/200 nm)於試片上。此圓形蕭特基電極的直徑為 400 微米。
(j).圖 3-3-1 為完成之蕭特基二極體結構圖。
4. 實驗 D--光子激發光光譜測量未硫化與經過硫化處理之氮化鎵
<步驟>
(a).此次實驗所選用氮化鎵是利用有機化學氣相沉積法長於藍寶石 基底上。先成長 650 nm 厚的緩衝層於藍寶石基底上，其溫度為 520oC，再成長 1.2 微米厚的 Si 摻雜 N 型氮化鎵，其溫度為 1050oC。磊晶成長源是高純度之三甲基鎵 (TMGa) 及氨氣 (NH3)，
其 Si 摻雜源為 SiH4。此 N 型氮化鎵之載子濃度為 6.2×1017cm-3， 遷移率為 350 cm2/V-s。
(b).將氮化鎵試片切割成四片，分別以下列化學藥品各處理五分鐘：
三氯乙烯、丙酮和甲醇等溶液。
(c).將四片試片以去離子水沖洗五分鐘並用氮氣槍吹乾。
(d).取其中三片試片放入 60oC 的黃色硫化銨溶液 (含硫量為 6%) 中分 別持續加熱 10、20 和 30 分鐘。然後浸於去離子水中再用氮氣槍 吹乾。
(e).將此四片經過表面處理之氮化鎵試片利用 PL 於室溫和 25 K 下進 行測量。
四、 實驗結果與討論
1. 利用 XPS 觀測未使用與使用硫化銨溶液處理的氮化鎵表面之差異
圖 4-1-1 顯示 Ga2p3/2 XPS 的能譜圖，從圖中我們發現對於未經過 硫化銨溶液處理的氮化鎵表面有 Ga-N 的鍵結 (位在 1117.1 eV[37]) 以 及 Ga-O 的鍵結 (位在 1118.9 eV[38])。然而對於經過硫化處理的試片 除了有 Ga-N 的鍵結(位在 1117.1 eV)、Ga-S 的鍵結 (位在 1118.6 eV[38]) 外並未發現 Ga-O 的鍵結。從上述結果可知，氮化鎵經過硫化銨溶液處 理之後其表面的原生氧化層可以被去除並且因為形成 GaSx而使表面鈍 化了。
圖 4-1-2 顯示 O1s XPS 的能譜圖，對於未硫化的試片其表面發現 O-Ga 的鍵結 (位在 530.8 eV[38]) 和 O-H 的鍵結 (位在 533.1 eV[39])，
不過經過硫化銨溶液處理之後我們只發現 O-H 的鍵結，至於 O-Ga 的鍵 結則完全被去除了。
圖 4-1-3 顯示 N1s XPS 的能譜圖，從圖中我們發現氮化鎵在硫化 處理前後，其 N1s XPS 的能譜圖並未有什麼不同，同樣顯示 N-Ga 鍵結 (397.5 eV[37])、N-H 鍵結 (398.8 eV[40])。對於 N-H 鍵結中的氫推測來 自磊晶成長源，即是高純度之三甲基鎵 (TMGa) 及氨氣 (NH3)。[41] 另
外，我們並未發現氮與氧或氮與硫所形成的鍵結。
圖 4-1-4 為 S2p XPS 能譜圖，其顯示硫化後的氮化鎵表面硫的鍵 結情形。基於考慮由於電子自旋角動量與電子軌域角動量的藕合作 用，S2p1/2：S2p3/2=1：1.95[42]，兩者 (S2p1/2、S2p3/2) 分隔的能量差為 1.08 eV 以及兩者半高寬為 0.96 eV[43]，我們分析得到兩種硫的鍵結情 形。一種屬於元素硫(elemental sulfur)鍵結的 S2p3/2 的峰值位在 164.2 eV[44]，另一種屬於雙硫 (disulfide，Ga-S-S-Ga) 鍵結的 S2p3/2 的峰值位在 163.4 eV，此兩種鍵結的束縛能差值約在-0.3到-0.9eV[45]。
表 4-1-1 顯示在經過硫化處理的氮化鎵表面的 Ga/N 原子比例為 0.38 比未經過硫化處理的氮化鎵表面的值 (Ga/N = 0.68) 要低。這 說明氮化鎵在經過硫化銨溶液進行表面處理之後會移去其表面的氧化 層並形成 N-rich 的表面 (或說是形成相當數量的鎵空位)。 J. K. Kim 等人也發現當氮化鎵表面去除這原生氧化層 (GaOx) 之後其表面會存 在鎵空位。[46]
2. 觀測未使用與使用硫化銨溶液處理的氮化鎵於蒸鍍金屬電極後未 經 熱 處 理 與 經 過 熱 處 理 之 電 特 性 分 析 與 比 較
圖 4-2-1 顯示四種不同表面處理 (10、20、30 分鐘硫化處理和 KOH
溶液處理) 之試片其電極間距 25 微米的電流電壓 (I-V) 特性曲線。
我們發現經過20分鐘和 30分鐘硫化處理的氮化鎵試片於蒸鍍鈦/鋁金 屬之後，其 I-V 的曲線為直線顯示有較佳的歐姆特性，經過 TLM 觀測 計算所得到的ρC值為 5.0×10-5 Ω-cm2和 7.8×10-5 Ω-cm2 (見圖 4-2-2 和圖 4-2-3)。至於經過 10 分鐘硫化處理和 KOH 溶液處理之試片的 I-V 曲線為非線性，呈現整流特性。從 XPS 資料分析結果再加上 I-V 特性 觀測，清楚地說明氮化鎵經過 20 分鐘硫化銨溶液處理之後，確實能夠 移除其表面原生氧化層並且因為 Ga-S 鍵結形成表面鈍化，因此於蒸鍍 金屬後便容易形成歐姆接觸。對於 30 分鐘硫化處理也能形成歐姆接觸 之原因在於雖已完全去除表面原生氧化層，但過度硫化使氮化鎵表面
我們發現經過20分鐘和 30分鐘硫化處理的氮化鎵試片於蒸鍍鈦/鋁金 屬之後，其 I-V 的曲線為直線顯示有較佳的歐姆特性，經過 TLM 觀測 計算所得到的ρC值為 5.0×10-5 Ω-cm2和 7.8×10-5 Ω-cm2 (見圖 4-2-2 和圖 4-2-3)。至於經過 10 分鐘硫化處理和 KOH 溶液處理之試片的 I-V 曲線為非線性，呈現整流特性。從 XPS 資料分析結果再加上 I-V 特性 觀測，清楚地說明氮化鎵經過 20 分鐘硫化銨溶液處理之後，確實能夠 移除其表面原生氧化層並且因為 Ga-S 鍵結形成表面鈍化，因此於蒸鍍 金屬後便容易形成歐姆接觸。對於 30 分鐘硫化處理也能形成歐姆接觸 之原因在於雖已完全去除表面原生氧化層，但過度硫化使氮化鎵表面