氮 化 鎵 (GaN) 和 其 相 關 氮 化 物 合 金 是 目 前 製 做 發 光 二 極 體 (Light-emitting diode, LED)、雷射二極體(Laser diode, LD)、以及高電子遷 移率電晶體(High electron mobility transistor, HEMT)等元件的熱門材料。可 在高溫和高功率等情況下運作是其主要賣點，代表此材料在較嚴苛的環境 下仍可使用。對 LED 而言，藉由調配氮化鎵與氮化銦固相組成的氮化銦鎵 (InGaN)合金，可以使發光波長範圍從 340 奈米調變至 1800 奈米。這波長 範圍涵蓋了從紫外光、可見光到近紅外光。如此寬的波長範圍突顯了三族 氮化物(III-nitride)材料在 LED 元件應用上的優勢。
早期在製備氮化鎵材料時，由於沒有匹配的晶格常數與熱膨脹係數的 基板。所以無法成長出高品質的氮化鎵材料。為了克服不匹配的問題，1983 年 S. Yoshida 團隊[1]以分子束磊晶系統(MBE)將氮化鎵成長於覆蓋有氮化 鋁(AlN)材料的藍寶石基板(Sapphire substrate)上。但是材料品質的提升很有 限，室溫下的載子遷移率(Carrier mobility)只有 35 cm2/Vs。1985 年 H. Amano 與 I. Akasaki 團 隊 [2][3]以 金 屬 有 機 化 學 氣 相 沉 積 系 統 (Metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)將氮化鎵沉積在氮化鋁緩衝層(Buffer layer)上，成功提升氮化鎵材料的薄膜品質。其室溫載子濃度為 2x1017 cm-3， 載子遷移率為 400 cm2/Vs。1991 年 S. Nakamura 團隊[4][5]使用低成長溫度
氮化鎵作為緩衝層，並以自組式雙氣流 MOCVD 系統(Two-flow MOCVD, TF-MOCVD)磊晶出具有元件品質的氮化鎵材料。其薄膜表面平整且載子 濃度為 2x1017 cm-3，載子遷移率更高達 900 cm2/Vs。S. Nakamura 團隊更進 一步以此方式製作 p-n 接面等相關元件，其雷射二極體的生命期(Life time) 為 10,000 小時，都是相當高水準的元件等級。此種以低成長溫度氮化鎵作 為緩衝層的兩階段成長方式(Two step growth)，之後更成為了製作氮化鎵薄 膜的標準製程步驟。
然而傳統的製程溫度(約 1000℃)仍然屬於高溫製程，如同前面提到沒 有與氮化鎵熱膨脹係數匹配的基板，因此在製程上必須面臨到熱應力釋放 的問題。在大尺寸基板製程時，高成長溫度容易造成基板熱翹曲(Curvature) 使基板溫度不均勻，造成製程良率降低。再者，更高的製程溫度也不利於 氮化鎵材料應用於其他基板(塑膠基板或鍺基板)或是與其他生物類元件結 合。當然高製程溫度也會使得電力消耗增加，提高了製程成本。因此降低 製程溫度是相當重要的議題。
低溫成長還有一項優勢，如前面第一段提到氮化銦鎵是 LED 元件的主 要材料，其元件結構主動發光層中一般以氮化銦鎵/氮化鎵多層量子井 (InxGa1-xN/GaN multiple quantum well, InxGa1-xN/GaN MQWs)構成。其中氮 化銦鎵在高溫製程時容易遇到銦脫附(Indium desorption)現象，所以氮化銦 鎵量子井發藍光波長在製程上通常以 780℃作為成長溫度。而發綠光波長
更以 680℃作為成長溫度。不論是 680℃或是 780℃都是遠低於氮化鎵成長 溫度(一般是 1000 到 1100℃之間)。但為了避免銦脫附造成組成下降，氮化 鎵阻擋層(Barrier)在氮化銦鎵發藍光波長時以 880℃成長。而在發綠光波長 時以 780℃成長。一般在如此低成長溫度下磊晶氮化鎵薄膜的品質都不太 理想。在光激螢光(Photoluminescence, PL)光譜量測上，根據文獻統計，成 長溫度低於 900℃的氮化鎵薄膜其 2.2 eV 的黃光發光都佔有很高的比重，
甚至普遍比近能帶邊緣發光強度大[6][7][8]。載子濃度大多落在 1018 cm-3 到 1019 cm-3之間，載子遷移率則多半只有 50 cm2/Vs 左右[9][10][11]。若能 開發在相對較低的成長溫度下成長出與高溫成長接近的氮化鎵薄膜品質，
並將此技術用於氮化銦鎵多層量子井上，將可進一步提升元件特性。LED 元件中 p 型氮化鎵(p-type GaN)在製程溫度上也會和 barrier 層類似的問題。
其成長溫度一般是在 900℃，同樣的比量子井的成長溫度高。所以若能降 低 p-type 氮化鎵的製程溫度也將會對氮化銦鎵量子井的組成維持有幫助。
以目前能蒐集到的文獻資料，低成長溫度氮化鎵最好的光性發表是 H.
Y. Wang 團隊[9]以自組式交替五、三族供應的原子層磊晶機台，在 900℃
下成長的氮化鎵薄膜。其發光峰值為 3.475 eV 的近能帶邊緣發光，且低溫 PL 半高寬(Full width of half maximum, FWHM) 為 9 meV。而以 MOCVD 系統成長氮化鎵薄膜在低成長溫度下通常會遇到氨(NH3)分解不足或是與 三甲基鎵(Trimethylgallium)碰撞不夠的情況[10]。為了提升氨的分解量，
H. J. Kim 團隊[12]族管線進入反應腔體前端加裝預熱裝置(Preheating)。但 提高分解率的位置距離長晶表面仍有一段距離，致使額外分解的氮氫鍵活 性複合物(N-H radicals)實際參與反應量有限。
為 了 進 一 步 提 高 氮 氫 鍵 活 性 化 合 物 參 與 反 應 ， 本 實 驗 室 自 組 式 MOCVD 系統採用雙加熱且可獨立控溫的設計。其反應腔體除了一般基板 加熱源外，於上方建置了可另外單獨控溫的加熱來源，我們稱之為上蓋板 溫度(Ceiling temperature, Tc)。本文樣品即是以此特殊設計的 MOCVD 系統 製備，並探討低溫成長氮化鎵的光電特性。
本論文所安排的第一章為前言，第二章是量測系統原理，第三章是樣 品製備與分析儀器，第四章是結果與討論，最後第五章是結論。