別為金屬和半導體功函數，其定義為費米能階(Fermi level)和真空能階(vacuum level)之間的差。qχ 為半導體的電子親和力(electrical affinity)，它是半 導體能帶與真空能階之間的能量差。當金屬與半導體接觸，在熱平衡時，兩種不 同材料的費米能階應該相等，而且真空能階也必須是連續的。在理想的狀態下，
其能帶圖如圖2-2所示。能障高度qΦb 為金屬功函數與半導體電子親和力之間的 差（qΦbn ＝ qΦm － qχ），此即為蕭特基能障(Schottky barrier)。
能障的形狀是由空乏區(depletion region)的電荷分佈所決定的。如果半導 體的電子密度約減小一個等級，則導電帶將從原本位置提高了3KT/q。在金屬－
半導體介面處，空間電荷(space charge)主要是為了補償的施體(donor)或是受 體(acceptor)。此一特殊的電荷分佈造成了金屬與半導體間一內建電位Vbi。蕭 基能障中，電流傳輸主要是藉由多數載子(majority carrier)來完成。
在蕭基接面處於順向偏壓下，金屬中的電子受到能量激發而進入半導體的電 流，主要有四種機制，如圖2-3：
(1) 熱離子放射（thermionic emission），即能量高於蕭特基位障的載子越過 接面位障所產生的電流。
(2) 電子經由量子穿隧(tunnelling)機制，穿透能障，而進入半導體內。
(3) 在半導體空乏區（depletion region）內的電子電洞藉由復合
（recombination）機制所產生的復合電流。
(4) 在半導體中性區（neutral region）內的電子電洞藉由復合機制所產生的復
相反的，在逆向偏壓時，這些傳輸過程會反向進行；在室溫下，對於未摻雜的理
Js：飽和電流密度（saturation current density）
n：理想因子（ideality factor）
A*：有效理查生常數（effective Richardson constant）
k：波茲曼常數（Boltzmann’s constant）
(1) 熱離子發射 (Thermionic emission,TE)
如圖2-4，主要濃度約在摻雜濃度ND < (~ 10^16cm-3)，在接面處的空乏區 相當寬，電子較難穿透位障。當位障較低時電子可經由熱離子發射克服能障而形 成電流。
(2) 熱游離場發射 (Thermionic-field emission,TFE)
如圖2-5，應用在( ~ 10^16cm-3) < ND < ( ~ 10^18cm-3)時，電子的能量 略低於蕭特基能障，由於穿隧效應，電子仍有機會穿透過能障而進入金屬，此時 電子可經由熱游離或者是穿隧效應來完成電子的移動形成電流。
(3) 場發射 (Field emission,FE)
如圖2-6，在高摻雜之情況，ND > ( ~ 10^19cm-3)，此時接面區的空乏區非 常狹窄，雖然電子的能量不足以克服蕭特基能障，但是經由穿隧效應，電子不論 從金屬穿隧至半導體或是由半導體穿隧至金屬都非常容易，此時電子主要都是利 用穿隧效應來移動。
4
圖2-3 蕭特基位障在順向偏壓下的四種基本載子傳導機制示意圖
6
2-2 氫化物氣相磊晶系統
2-2-1 磊晶原理
氫化物氣相磊晶法(Hydride Vapor Phase Epitaxy：HVPE)成長氮化鎵材料時，由於
示，自組式(home -made)磊晶基台優點在於花費不高，且更改設計有著較大 氟酸(HF)，因此在接觸viton o-ring時需穿戴手套處理。
(3) 爐管:
本實驗機台之爐管採用水平式設計，溫度分布相對於垂直式較容易控制。爐 管材料為石英管，其兩端與不鏽鋼端蓋(endcap)接合處使用抗酸、耐高溫之氟化 橡膠(viton)材質O 型環(o-ring)以於封真空。
(4) 氣體管路: 爐管維持潔淨。氣體流量則使用質流控制器(Mass Flow Controller: MFC)來準
(5) 冷卻水系統:
由於成長溫度高約1050℃，石英爐管可以承受此高溫，但不銹鋼則需要靠冷 卻水管路冷卻，冷卻水為一般自來水非去離子水(DI-water)，冷卻水由源頭流入 後經過20μm 的濾芯以過濾水中漂浮物，避免冷卻水路堵塞。
圖2-2-2 HVPE機台示意圖
2-3 電子束蒸鍍系統
傳統的熱蒸鍍系統必須對整個蒸鍍源加熱，易使能量的應用效率降低，且 易將整個乾鍋內的雜質同時鍍到元件上面，故發展出電子束蒸鍍系統(electron gun evaporation)。電子束蒸鍍法是一種物理製程，利用電子槍所射出之電子數 轟擊待鍍材料，將高能電子數的動能轉為融化待鍍材料的熱能，此法擁有較佳之 熱轉換率，同時也可得到較高鍍膜速率，且可利用改變電流大小來控制熱電子數 目，以調控其蒸鍍速率。
電子束蒸鍍示意圖如圖2-3-1所示，蒸鍍靶材是置於有充份冷卻之乘載坩鍋 中，電子數以熱電子形式離開加熱燈絲，自下方一端高電壓陰極的電壓差加速射 出，在外加磁場的作用下，電子束迴旋270度後撞擊上方坩鍋蒸鍍源，高熱熔融 區僅限於被電子束直接打擊的材料表面附近有限區域，其他部份是屬於相對低溫 的狀態，這是一種直接加熱的方法，熱熔融區的材料與坩鍋可被低溫同質材料間 接隔離離開來。
10
圖2-3-1 電子束蒸鍍系統簡易圖
2-4 霍爾量測原理
在1879 年，霍爾(Edwin H.Hall)利用於導體中導入電流，將導體置於外加 磁場中量測其感應霍爾電壓(Hall Voltage)來判斷傳導載子的極性與濃度，稱為 霍爾效應(Hall effect)。此方式廣泛的被利用於半導體中參雜載子性質的量測 上。
量測原理如圖2-4-1所式，以n-type半導體為例，於材料左右端施加一偏壓，
因此材料內的載子會順著偏壓流動，此時再施加一與載子流動方向垂直之磁場 B，流動中的載子因受磁力(F=qVd×B)的影響，而產生一與偏壓及磁場方向皆垂直 的電壓VH，此電壓即為霍爾電壓。此時可藉由量測電壓之正負與大小，加上一些 數學式推得半導體的參雜載子性質、濃度與電子遷移率等。
2-5 光響應度量測系統
(1) 光響應度（Responsivity, R）
光響應度的定義為在特定波長下，輸出的電流與輸入光強度的比值：
其主要是代表元件對此一波長下光照時的反應。
(2) 量子效率（Quantum Efficiency,ηext） 光偵測器的外部量子效率定義如下:
A、半導體參數分析儀（Agilent 4156C）
B、AST PE300BF 300W 氙燈（200~1100nm）
C、紫外光高穿透率透鏡（Plano-convex lenses）
D、單色分光儀（Monochrometer，Triax series 180MS2）
E、矽光功率偵測器（PowerMeter，Duma OctaPower P038）
F、高解析度頻譜分析儀（Ocean Optics，HR2000CG-UV-NIR）
如圖2-5-2所示，量測前我們已對單色分光儀所分出的光利用高解析度頻譜分析 儀作波長校對，每個波段的光能量也已用光功率偵測器記錄下。光源由氙燈放射 出去後經透鏡收集後進入單色分光儀，單色分光儀將光源分成單一波長之光後導 入光纖，光纖再將光導出並照射至元件，此時元件即可吸收入射光之能量產生電 子電洞對並由半導體參數分析儀的探針量測，即為照光時的電壓－電流曲線圖
（I-V curve），而此電流即所謂的光電流。
圖2-5-1 光檢測器簡示圖
圖2-5-2 量測光響應度儀器示意圖
2-6 光致發光光譜量測系統 (PL)
光激發螢光(Photoluminescence Spectrometer, PL) 光譜對於檢測發光半 導體材料的光特性是一個有力又無破壞的技術，而且藉由分析光激發螢光資料，
可以由光譜中的特徵可以得知摻雜雜質種類、能隙大小、雜質活化能等等。從發 光譜峰能量可以估算出化合物中的組成成分，由半高寬可得知其材料品質 。 螢光(Luminescence) 是物理系統由於過度熱輻射或白熱化後產生電磁輻射 放射的一種現象。對於發光半導體而言，入射光子的能量等於或是超過能隙時，
會激發價帶電子跨過能隙到達導帶，然後當半導體由激發狀態回復到基態時便會 產生輻射放射。吸收的現象同樣會發生在一個電子從中性的受子能階激發到更高 的能態，亦可從價帶，遷至離子化的施子能階或是從離子化的受子能階躍遷至導 帶。這些現象可以很有成效地反映出半導體中的能帶或是雜質的現象。發光過程 典型包含三個步驟：(1)激發，(2)熱平衡，(3)再復合。
入射光產生的電子電洞對(electron-holepairs)，經由熱平衡分布後會再結 合然後產生光子。雜質與缺陷會在能隙之中形成各種能階，而其對應的能量會由 輻射再復合過程產生放射或者是經由非輻射再復合過程產生吸收。當入射光(電
14
磁輻射) 照射在試片上時，導致電子被升高至激發態，典型的能帶躍遷過程(如 圖2-6-1所示)。
圖2-6-1 電子躍遷圖
以下是放射性結合路徑的種類與圖2-6-2 放射結合路徑示意圖：
(a)導電帶電子與價帶電洞再結合躍遷
(b)在施子能階(donor level)的電子與價帶電洞再結合躍遷
(c)在導電帶的電子與授子能階(acceptor level)的電洞再結合躍遷
(d)在施子能階的電子與授子能階的電洞再結合躍遷 (e)自由激子(free exciton)的再結合躍遷等方式
圖2-6-2 放射結合路徑示意圖
一旦吸收了入射光之後將電子激發到更高的能態，電子將會釋放到較低的能
平行結晶面（hkl）上時，兩鄰近面在入射及繞射光之光程差為波長的整數倍時，
會呈現加乘效應，即符合布拉格公式（Bragg's law）的關係；
2dsinθ= nλ
圖2-7-2 X光繞射儀裝置示意圖
X-ray的量測最主要有兩種模式分別為θ-2θscan以及ω-scan，分別能提供 成長材料中每個晶面的晶格常數以及該晶面的成長品質。藉由θ-2θ 掃描，可 以得到晶體的晶格常數。而ω-掃描，亦稱為搖擺曲線(Rocking Curve)，其量測 方式示意圖如圖2-7-3所示。藉由此方式之測，可以由半高寬決定晶體的品質。
圖2-7-3 搖擺曲線量測方式示意圖
2-8 二次離子質量光譜量測系統
二次離子質譜儀(Secondary Ion Mass Spectrometer)具有足夠能量的一次 離子（primary ions）撞擊到試樣的表面，經與固體作用後，然後將表面的原子 或分子撞擊出來，呈離子狀態的二次離子（secondary ions），收集至質譜儀（mass spectrometer），經質譜之分析，而達到試品表面成份元素之定性及定量分析之 研究。另外，由於一次入射離子可以適當的聚焦至徵小點，並且可掃描試片表面，
因此方可利用SIMS作顯徵影像分析之觀察。二次離子質譜儀主要用來分析固體表 面及表面以下30微米(mm)深度內的區域和部份液體樣品的表面。此技術乃以一帶 能量 (0.5-20 kV) 的離子束撞擊試片表面，產生離子化的二次粒子，再用質量 分析儀加以偵測。
18
系統主要分為四個部份(如圖 2-8-1)：
(1) 一次離子：提供 SIMS 分析之主要激發源
(2) 透鏡磁組(調校離子束路徑)與離子束行進真空腔體
(3) 磁偏式質譜儀：將樣品被撞擊出之二次離子依不同質荷比分開 (4) 訊號偵 測與轉換處理：偵測不同元素之離子強度。
圖2-8-1 二次離子質譜儀系統簡示圖
SIMS不但可作表面及整體之分析，又可直接作影像觀察，其靈敏度及解析 能力甚高，由最小的氫至原子量很大的元素均可偵測，尤其對於同位素的分析更 是有效。常見的研究應用領域包括：（1）表面研究：利用SIMS影像可以觀察試片 表面所含有之元素，由適當的縱面元素之分析，可以瞭解污染之深度。（2）縱深
SIMS不但可作表面及整體之分析，又可直接作影像觀察，其靈敏度及解析 能力甚高，由最小的氫至原子量很大的元素均可偵測，尤其對於同位素的分析更 是有效。常見的研究應用領域包括：（1）表面研究：利用SIMS影像可以觀察試片 表面所含有之元素，由適當的縱面元素之分析，可以瞭解污染之深度。（2）縱深