3-1 樣品製備
我 們 利 用 自 組 式 雙 加 熱 有 機 金 屬 化 學 氣 相 沉 積 系 統 (home-made two-heater MOCVD system)成長氮化銦鎵薄膜樣品，反應腔的示意圖如圖 3-1 表示。本實驗中分別利用高純度氨氣(5N5 NH3)，III 族有機金屬分子為 高純度三甲基鎵(6N TMGa)以及三甲基銦(6N TMIn) ，由 Morton 公司所製 造，分別作為 N、Ga 以及 In 來源，其中 TMGa 及 TMIn 儲存於鋼瓶內並 各別靜置在 5.0±0.1℃以及 25.0±0.1℃之恆溫槽內，載流氣體為純化後高純 度氮氣(6N N2)。在成長氮化銦鎵時，分成以下四個系列探討:(1)傳統 MOCVD 與雙加熱系統下改變成長溫度、(2)改變石墨盤(Graphite disk)轉速、
(3)改變三甲基鎵(TMGa)莫耳流率。其成長氮化銦鎵之磊晶參數請參考表 3-1。
樣品成長步驟如下：
i. 晶片(wafer)使用 2 吋藍寶石基板(sapphire)(0001)上，使用氫氣在 1150℃熱處理(thermal cleaning)晶片 10 分鐘以去除表面殘留 的水氣、氧氣及雜質。
ii. 基板溫度降低至 530℃成長氮化鎵成核層(nucleation layer)，
厚度約 30nm。
iii. 基板溫度升至 1175℃做熱退火 4 分鐘。
iv. 溫度降至 1130℃成長氮化鎵緩衝層(buffer layer)，厚度約 1800nm。
v. 載流氣體切換至氮氣，成長氮氮銦鎵。
圖 3-2 為氮化銦鎵樣品結構圖，表 3-1 為詳細磊晶條件。樣品分析使 用 X 光繞射(XRD) ω-2θ(002)量測確認氮化銦鎵固相銦組成，以及電子 式掃描顯微鏡掃描樣品表面及側面，並由成長時間與成長厚度推論其成長 速率，接著利用低溫光激螢光光譜量測不同組成氮化銦鎵的載子複合發光 行為。
圖 3-1 自組式雙加熱有機金屬化學氣相沉積系統反應腔示意圖。
圖 3-2 氮化銦鎵樣品結構圖。
Time Varying growth temperature series
120 200
Varying graphite disk rotation series (0, 450 sccm)
120 200 650-700 800 6 9 0.3
Varying TMGa flow rate series
90-240 200 625 800 17 3-9 0.67
表 3-1 成長氮化銦鎵之磊晶參數
3-2 X 光繞射
X 光繞射在研究材料裡的微觀結構物與缺陷是一樣必要的工具，在本 論文研究中，X 光繞射量測主要被用來決定氮化物的晶格常數、合金組成、
以及結晶品質。X 光繞射是一項快速、非破壞的量測技術，並且其穩定及 高再現性的量測特性，所以時常被用來當作成長薄膜最佳化時的回饋資訊 來源。本論文中所使用的 X 繞射儀是使用 Bruker D8，如圖 3-3 所示，X 光源為銅靶的 Kα1射線(λ=0.154056nm)以及 Kα2射線(λ=0.154439nm)，其中 Kα2射線將由軟體模擬濾除，載台可動的維度有χ、ψ 及 ω，因此可針對所 需的平面進行繞射實驗。在測定合金組成時，選用(002)面作 2θ-ω scan，我 們的樣品是成長在 c 面藍寶石基板上，因此樣品表面與(002)面平行，只需 轉動χ 角到 X 光入射面與樣品表面正交即可進行 2θ-ω scan，再依據 2.3 節 的布拉格定律及Vegard’s law 來推算峰值角度的銦組成。
除了組成測定之外，我們也透過ω scan(Rocking curve)來測定樣品結晶 的扭轉(twist)及傾斜(tilt)程度。以氮化物而言，傾斜程度的量測是針對(002) 面作搖擺曲線，扭轉(twist)程度則是(10-12)面。(002)面搖擺曲線的作法，
是針對在(002)面 θ/2θ 繞射實驗中所得到的峰值角度，作定 2θ 角搖擺 ω 正 負 2 度的繞射實驗。較特別的是量測(10-12)面需要同時轉動 χ 及 ψ 角，以 氮化鎵的六角晶格為例，(10-12)面與 C 面的法相量夾角為 43.1 度，且有 6
面的訊號，才可再進行2θ-ω 的峰值角度截取及 ω scan。
X-ray source
Detector Sample stage
ϕ
χ
ω
圖 3-3 Bruker D8 high resolution X-ray diffraction system.
3-3 電子式掃描顯微鏡
掃描式電子顯微鏡主要是用來觀察物體的表面型態，由於其試片製作 簡單，解析度可達奈米尺度且景深長，對於奈米材料的微結構、成分、尺 寸大小與晶格排列等分析上已被廣泛的使用。本實驗中使用的 SEM 機台 為 JOEL, JSM-7100F 型熱場發射掃描式電子顯微鏡，其工作原理為電子鎗 透過場發射原理產生高能電子束，經過透鏡將電子束聚焦至試片上，其電 子束與試片作用所產生的二次電子經由偵測器收及後將訊號放大並轉換成 影像顯示在螢幕上，如圖 3-4 所示。
以下為 SEM 重要規格 (1) 電子鎗：場發射型式 (2) 加速電壓：0.5-30 kV (3) 倍率：25-200,000 倍
(4) 樣品最大容許尺寸：直徑 15mm × 高 10mm (5) 解析度：1.5nm (15kV)、3.0nm (1kV)
圖 3-4 JEOL, JSM-7100F Thermal field emission electron microscope sysyem
3-4 光激螢光光譜
圖 3-5 為光激螢光系統裝置，本實驗使用功率為 20mW 的氦鎘(He-Cd) 雷射作為激發光源。雷射光經過截光器(chopper)焦距為 15 cm 的凸透鏡使 光點聚焦成直徑約 300 μm 後照射在待測樣品上，再利用 10 cm 之透鏡將螢 光聚焦在光譜儀(monochromator)上。螢光訊號由砷化銦鎵(InGaAs)偵測器 接收後再傳送到鎖相放大器(lock-in amplifier)，放大的訊號藉由一訊號轉換 介面輸入電腦，最後利用電腦分析，將可以得到樣品螢光訊號在不同波長 的分佈情形。
下列為所需規格：
(1) 氦鎘雷射：波長 325 nm (2) 截光器：旋轉頻率為 161 Hz (3) 光譜儀：焦距為 0.5 m
(4) 砷化銦鎵(InGaAs)偵測器：偵測範圍為 0.4-2.4 μm
(5) 鎖相放大器：配合截光器，在特定旋轉頻率與相位時解調並放大 光訊號
(6) 氦氣封閉循環式低溫系統：量測溫度為 14K
He-Cd laser Lock-in Amplifier
chopper mirror
InGaAs detector
monochromateor 325nm Long-pass filter
Cryogenic stage
Coupling lens f=10cm mirror
focus lens f=15cm
PC Spectra Hub
圖 3-5 光激螢光系統架構圖。