實驗方法

3.1、實驗流程簡介

本實驗以射頻濺鍍貼靶法在Si 靶或 SiO2靶上貼放數片GaN 圓錠，以（100）

矽單晶圓及光學玻璃作為基板，沈積 GaN 量子點在 Si3N4或 SiOxNy的環境中。

利用化學分析電子能譜儀（ESCA）分析其化學鍵結組成，X 光反射率（XRR）

量測相對含量，並藉由穿透式電子顯微鏡（TEM）觀察結晶形態及量子點大小。

同時利用光激發光質譜儀（PL）所量測之光學特性，探討不同環境基材對 GaN 量子點所造成之光學影響與可能應用。實驗流程與分析方法如圖3.1 所示。

3.2、材料準備

3.2.1.、基板製備與清洗

本實驗沈積薄膜之基板主要為光學玻璃及（100）矽單晶圓。光學玻璃主要 在可見光範圍內具有良好穿透率及價格上便宜，因此作為量測UV-Vis 光學性質 之基板。而矽基板則因訊號簡單、裁切方便及容易取得，所以被用來分析微觀結 構、化學組成及光學特性。此兩種基板清洗步驟如下：

（1）用氮氣槍吹去表面之雜質顆粒。

（2）以沾有丙酮之棉花棒輕輕擦拭，除去基板表面之有機雜質。

（3）在去離子水下沖洗 1 分鐘，接著以氮氣槍吹乾。

試片準備

貼靶濺鍍

定量、定性分析 光學特性分析

微觀結構分析

化學分析電子能譜儀︵ESCA ︶ 紫外 - 可見光光譜儀︵

UV-vis ︶

低掠角X 光繞射︵GAXRD ︶ 光激發光譜儀︵PL ︶

電子顯微鏡︵TEM ︶ X 光反射率︵XRR ︶

圖3-1、實驗流程圖。

3.2.2、GaN 圓錠

使用純度4N（99.99%）之 GaN 粉末作為原料，在常溫下（300°K），以 10⁴ lbs，15 sec 之條件，壓製成直徑 10 mm，厚度約 2 mm 之圓錠。

3.2.3、氮化矽（Si₃N₄）及二氧化矽（SiO₂）靶

本實驗以5N（99.999%）之 3 吋 Si 靶通入超高 N2製備生成Si3N4，而SiO2

基材製備則是直接以 3 吋之石英靶（99.995%，SiO2）為靶材濺鍍沈積，但受到 腔體內所通N2影響，使得實際基材環境會以SiOxNy為主。相關之物理特性見表 3-1。

表3-1、Si3N4及SiO2基材相關物理特性[46]。

物理特性 Si3N4 SiO2

密度（ρm，g/cm³） 3.40 2.60

熔點（T_s，^oC） 1900 1650（±75）

電阻率（ρe，Ω-cm） > 10⁶ 7×10⁹

介電常數（εr，1 MHz） 10 3.75

3.3、GaN 奈米薄膜製備（貼靶濺鍍法）

貼靶濺鍍法最早是由 Nasu 等人[21]所提出。利用單一靶材上額外貼放不同 的圓錠貼靶物，藉由改變圓錠的數目，來達成雙槍濺鍍的效果。在本次實驗中，

以對稱方式（圖3-2）將不同數目之 GaN 圓錠放在 3 吋 Si 靶或 SiO2靶上，並通 入Ar-2.5%N2混合氣體，同時以磁性射頻濺鍍的方式生成GaN-Si3N4（以下簡稱 GSN）及 GaN-SiOxNy（以下簡稱 GSON）奈米複合薄膜。本實驗濺鍍條件與工 作儀器請參閱表3-2 及圖 3-3。

表3-2、GaN 貼靶濺鍍條件。

濺鍍條件 GaN QDs-Si3N4（GSN） GaN QDs-SiOxNy（GSON）

靶材 Si SiO2

GaN 貼靶數 0 ~ 10 0 ~ 10

背景真空值 ~ 3×10⁻⁶ ~ 3×10⁻⁶

工作氣壓 5×10⁻³ 5×10⁻³

氣體流量（Ar：N2） 19.5：0.5 19.5：0.5

工作瓦數 100 W 200 W

射頻功率 玻璃/Si基板

GaN圓錠

SiO2/Si 靶材

真空腔體 10 ~ 12 cm

旋轉碼達

洩氣閥 Ar氣體

N2氣體 抽氣閥

圖3-3、濺鍍機台示意圖。

3.4.、特性分析儀器

3.4.1、穿透式電子顯微鏡（TEM）

本實驗使用交通大學貴重儀器中心之TEM，型號為 Philips TECNAI20、操

作電壓200 kV 進行量測。除了觀察 GaN QDs 在 Si3N4或SiOxNy環境內之分佈外，

並以擇區電子繞射（Selective Area Electron Diffraction，SAED）判定 GaN 之結 晶情況，同時藉由影像分析軟體計算GaN QDs 尺寸大小。

3.4.2、低掠角 X 光繞射（Grazing-angle X-ray Diffraction，GAXRD）

本實驗使用 XRD 為國家同步輻射中心（National Synchrotron Radiation Research Center，NSRRC）之 MacScience M18 XHF-SRA 繞射儀，利用銅靶

（Cu-Kα）為入射光源，操作電壓50 kV，電流 200 mA。採用 2θ掃描方式進行低 掠角繞射（θ = 1°），觀察GaN 奈米薄膜之結構變化，並利用如下所示之 Scherrer’s formula 來計算粒子平均粒徑大小。

θ β

λ cos

9 .

= 0

D （3.1）

式中 D＝平均粒徑大小，λ＝入射波長，β＝峰值半高寬（rad），θ=波峰位置。

3.4.3、X 光反射率量測（XRR）

本實驗使用國家同步輻射中心之4 環 X 光繞射儀（Huber Four-circle X-ray Diffractometer，XRD），以銅靶（Cu-Kα）為入射光源，操作電壓50 kV，電流 200 mA。藉由 XRR 量得之臨界反射角（Critical Angle，θc）代入相關公式求得材料 電子密度（ρe），進而得出 GaN 與基材環境（Si3N4或 SiOxNy）之相對含量比率

（at.%）。相關公式如下所示：

)

本實驗以清華大學貴重儀器中心之American Physical Electronics ESCA PHI 1600，分析 GaN 奈米薄膜內部各元素種類及鍵結情況。藉由各元素態所發出之 光電子動能判定其化學組態，並以自然界中的C 1s（284.5 eV）作為標定，同時 利用ESCA 曲線配對軟體（XPSPEAK 4.1，Gaussian：Lorentzian ＝ 80：20）來 模擬各元素可能形成的化學組態及其相對變化趨勢。（詳細ESCA 化學鍵結，請 參閱附錄A）。

3.4.5、UV-Visible 光譜儀

本實驗使用交通大學材料所之Aglient 8453 紫外-可見光譜儀，分析在光學玻 璃上之GaN 奈米薄膜穿透與吸收光譜。掃描波長範圍為 250 至 800 nm。相關的 穿透率（Transmittance，T）與吸收係數（Absorption Coefficient，α）之公式如下

所示：

d in

out e

I

T = I = ^−α _（3.4）

d lnT

−

α

式中 Iin = 入射光強度，Iout = 穿透光強度，d = GaN 奈米薄膜之厚度。

3.4.6、光激發光譜儀（PL）

本實驗使用交通大學電子物理所，雷射拉曼光譜實驗室所自組之PL 光譜儀 在室溫下進行量測。其激發光源為60 mW 之 325 nm 氦-鎘雷射（He-Cd Laser），

曝光時間為1 秒，圖譜間距為 1 nm。主要原理為利用大於材料能隙之入射能量，

激發材料內部可能發出之光電子訊號，利用此訊號來計算固態材料能隙大小與識 別材料中缺陷及雜質所可能造成之發光能階現象。（詳細GaN 發光位置，請參閱 附錄B）。

第四章