4-1 樣品製程
本實驗的樣品包含沉積在藍寶石基板上的氮化鎵薄膜與沉積在 矽基板上的碳化矽薄膜，樣品來源為國立臺灣大學光電工程學研究所 的馮哲川教授所提供。
氮 化 鎵 樣 品 的 製 程 方 法 是 金 屬 有 機 化 學 氣 相 沉 積 法 (metal-organic chemical vapor deposition)，簡稱MOCVD，將不同厚度 的氮化鎵薄膜沉積於藍寶石基板上，氮化鎵樣品編號分別為N7600、 R4056、M1574及M1386。M1574及M1386為摻雜矽的樣品。中央研 究院物理研究所表面奈米科學實驗室張嘉升教授協助量測四個樣品 的截面掃描電子顯微鏡 (scanning electron microscopy)圖。圖4.1.1 為
N7600氮化鎵薄膜的截面掃描電子顯微鏡影像，樣品厚度約為7.6
μm；圖4.1.2 為R4056氮化鎵薄膜的截面掃描電子顯微鏡影像，樣品 厚度約為4 μm；圖4.1.3 為M1574氮化鎵薄膜的截面掃描電子顯微鏡 影像，樣品厚度約為4 μm，摻雜矽形成n型氮化鎵薄膜；圖4.1.4 為
M1386氮化鎵薄膜的截面的掃描電子顯微鏡影像，在藍寶石基板上先
沉積一層厚度為2 μm的未摻雜氮化鎵薄膜，再沉積一層摻雜矽厚度為 2.7 μm的氮化鎵薄膜。
碳 化 矽 薄 膜 的 製 程 方 法 是 化 學 氣 相 沉 積 法(chemical vapor
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deposition，CVD)，厚度約為5 μm的碳化矽薄膜沉積在矽基板上。
4-2 樣品物性
氮化鎵為III-V族半導體，結構可為立方體(cubic)的閃鋅礦結構 (zinc-blende structure)或 六 方 晶 系(hexagonal)的 烏 采 結 構(wurtzite structure)，兩者晶格結構如圖 4.2.1所示，兩者與鄰近原子的鍵結方 式皆為四面體。閃鋅礦結構的空間群為Td，每個單位晶胞內含有4個 原子，其晶格常數a軸為3.189 Å，閃鋅礦可想成沿著c軸，每層上有 一群相同的原子建立正六邊形排列，閃鋅礦結構的疊加層為
…GaANA GaBNB GaANA GaCNC GaANA GaBNB GaANA GaCNC…
烏采結構氮化鎵的其空間群為C6υ，每個單位晶胞內含有2個原子，晶 格常數a軸與b軸皆為3.189 Å，c軸為5.185 Å，烏采結構可想成沿著c 軸每層上有一群相同的原子建立正六邊形排列，烏采結構的疊加層為
…GaANA GaBNB GaANA GaBNB GaANA GaBNB GaANA GaBNB…
烏采結構氮化鎵塊材a軸的熱膨脹係數為 5.59×10-6 K-1，c軸的熱膨 脹係數 7.75×10-6 K-1，如表 4.1.1所示。藍寶石基板亦屬六方晶系，
25 (transverse optic vibration mode，TO)。烏采結構的單位晶格內包含較 多原子，所以其聲子振動的模式較閃鋅礦來得複雜。圖4.2.4為烏采結 構氮化鎵的聲子的色散關係[23]，在布里淵區中心處的位置有8個光 學振動模：Γopt = 2 A1 + 2 B1 + 2E1 + 2 E2， A1(LO)、A1(TO)、E1(LO)、
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E1(TO)、E2(low)、及E2(high)對稱性屬拉曼活性振動模；B1對稱性屬 靜止模；而A1(TO)、E1(LO)、及E1(TO)對稱性亦屬紅外光活性振動模 [24]。其中，A1振動模對應晶格振動方向平行於c軸，而E1(LO)、 E1(TO)、E2(low)、及E2(high)的晶格振動方向垂直於c軸，圖4.2.5表示 單位晶格內四個原子振盪的特徵向量，A1與E1對稱性的振動偏極化模 式為Ga(N)原子同向振盪，而B1與E2對稱性的振動模式為Ga(N)原子反 向振盪[18]。
碳化矽為IV-IV族半導體，碳化矽的鍵結為四面體共價鍵結，依 據排列方式不同造成不同的結晶性，因此存在超過130多種多晶型 態，其中最常見的堆疊方式為ABCA堆疊的3C-SiC結構，數字3的意 義即為週期性次序中面的數目，C代表結構為立方體；ABA堆疊的 2H-SiC代表週期性次序面2的六角形結構；ABACA堆疊的4H-SiC為週 期性次序面4的六角形結構；ABCACBA的6H-SiC為週期性次序面6的 六角形結構；15R-SiC則代表週期性次序面15的菱形(rhombohedral)結
構，如圖4.2.6所示[4]。本論文的碳化矽薄膜為立方晶系閃鋅礦結構
(3C-SiC)，室溫下立方晶系碳化矽的晶格常數為4.359 Å，而矽基板的 晶格常數為5.430 Å，在碳化矽薄膜與矽基板的晶格不匹配高達20%。 立方晶系的3C-SiC，屬於Td對稱，在布里淵區中心Γ處的TO聲子雙重 簡併是不被允許，而LO聲子的單一簡併則是被允許[25]。第一原理理
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論計算，無壓力時，TO與LO光學聲子頻率位置分別為783.7 cm-1與 958.5 cm-1，圖4.2.7為3C-SiC聲子色散曲線[26]。3C-SiC熱膨脹係數為 5.65 × 10-6 K-1，而矽基板的熱膨脹係數為 4.61 × 10-6 K-1，其晶格常 數如表 4.2.1所示[27]。
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表 4.1.1 氮化鎵與藍寶石的晶格常數與熱膨脹係數表[25]。
GaN Sapphire
hexagonal rhombohedral
a 3.189 Å 4.758 Å
b 3.189 Å 4.758 Å
c 5.182 Å 12.991 Å
α 90° ≠90°
β 90° ≠90°
γ 120° ≠90°
Space Group P63mc
a = b 5.59 × 10-6 K-1 7.5 × 10-6 K-1 Thermal
expansion
coefficient c 7.75 × 10-6 K-1 8.5 × 10-6 K-1
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表 4.2.1 碳化矽與矽的晶格常數與熱膨脹係數表[27]。
3C-SiC Si
System zinblende diamond cubic
a 4.3596 Å 5.4311 Å
b 4.3596 Å 5.4311 Å
c 4.3596 Å 5.4311 Å
Thermal expansion
coefficient 5.65 × 10-6 K-1 4.61 × 10-6 K-1
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圖 4.1.1 N7600氮化鎵薄膜截面的SEM圖。
圖 4.1.2 R4056氮化鎵薄膜截面的SEM圖。
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圖 4.1.3 M1574氮化鎵薄膜截面的SEM圖。
圖 4.1.4 M1386氮化鎵薄膜截面的SEM圖。
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圖 4.2.1 (a)烏采結構與(b)閃鋅礦結構氮化鎵示意圖 [4]。 Ga
N
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圖 4.2.2 氮化鎵薄膜沉積於藍寶石基板的示意圖[21]。
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0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 0.00
Frequency (cm-1)
N7600
(αΕ)2 (×106 (eV/cm)2 ) N7600
R4056 M1574 M1386
Photon Energy (eV)
圖 4.2.3(b) N7600、R4056、M1574及M1386樣品的吸收光譜圖。
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圖 4.2.4 六方晶系氮化鎵聲子色散曲線圖[23]。
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圖 4.2.5 烏采結構氮化鎵光學聲子振動模示意圖[18]。
37
圖 4.2.6 碳化矽結構圖[4]。
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圖 4.2.7 閃鋅礦結構3C-SiC聲子色散曲線圖[26]。
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