實驗的結果與分析

由於同步輻射光源係由加速電子於儲存環中而釋放出電磁波的原理，因此在每次歷時數小時的實驗光束線的能量多少有些小許變化，且因係以光柵狹縫進行選光分光的動作。因此我們皆以各能譜線所顯示被激發之價帶電子動能的最大值 (vlance band maximum) 配合金 (Au fermi edage) 來修正能量，同時參考 XPS 參考手冊 (Handbook of XPS by Perkin-Elmer Corporation ) 研判能譜峰值。

4-1 L-SGM 光束線上的實驗

這一節我們首先將在 L-SGM 上所做過的量測實驗資料列出，

主要是針對試片的砷(As)，鎵(Ga)以及釓(Gd)等成份元素進行量測。

在下一節中將以在 H-SGM 上所量測到的現象與之比較對照，希望能對試片氧化層的性質有較完備的分析資料。

圖4.1：以氬離子束撞濺試片 MH1175 (Ga₂O₃-Gd₂O₃ / GaAs) 時之不同階段的

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 -5 MH1686 (10nm,550⁰C)

Intensity (a.u.)

Binding Energy (eV)

圖4.2：以氬離子束撞濺試片MH1686 (Ga₂O₃-Gd₂O₃/ GaAs) 時之不同階段的 XPS能譜圖，由試片表面(a)至試片基板(f)。

圖 4.3：以氬離子束撞濺試片MH1625 (Gd₂O₃ / GaAs) 時之不同階段的 XPS

MH1625 (6.6nm,50⁰c)

Intensity (a.u.)

Binding Energy (eV)

圖4.4：以氬離子束撞濺試片 MH1550 (Gd₂O₃ / GaAs) 時之不同階段的 XPS

h ν =120eV MH1550(3.1nm,500

⁰

C)

Intensity (a.u.)

Binding Energy (ev)

圖4.5：以氬離子束撞濺試片 MH1270 (Ga₂O₃ / GaAs) 時之不同階段的 XPS MH1270 (23nm,400^oC)

Intensity (a.u.)

Binding Energy (eV)

4-2 H-SGM 光束線上實驗與氧化層成分分析

在本論文研究的最後一次實驗，我們選擇在可提供高能量的 H-SGM 光束線上針對 MH1686 (Ga2O3-Gd2O3/GaAs) ， MH1546 Gd2O3 和 MH1495 Ga2O3 三個試片進行高束縛能氧 O (1S) 電子的測量工作。每一次並對照量測一次砷(As)，鎵(Ga)以及釓(Gd)元素部分變化的能譜圖。在重復前述的實驗步驟與資料處理後，我們發現氧化釓(Gd-Oxide)皆是在束縛能約 530eV 的位置。而在 532eV 處，三塊試片也皆有明顯的一變化峰值，這和之前 Bell lucent 實驗室所作的研究有許多相關之處[12-13]。尤其是 MH1546 (Gd2O3) 此塊試片亦有同樣的峰值位置表現，因此我們再將這些相關的試片所得的資料以譜峰曲線配湊 (curve fitting) 作進一步的分析。

同以往所作過的實驗，在超高真空的系統中我們先對 MH1686 (Ga2O3-Gd2O3/GaAs) 這塊試片進行量測，因為這同樣成分的試片曾在 L-SGM 上以光束線能量 120eV 量測過，可以之作為對照用。

我們在高能的 H-SGM 光束線上以 600eV 首先量測試片成分砷 (As)，鎵(Ga)和釓(Gd)的能譜部分。觀察其峰值位準和先前在 L-SGM 上所量測到的並無多大差異。如圖 4.6 所示。

在量測砷，鎵和釓的同時，我們再將分析儀的能量選擇訂在搜尋較低動能的部分亦即希望觀察有較高束縛能的氧 O (1S)的部分。所以是每撞濺一次試片，便保持在一樣的條件下，將低束縛能和高束縛能的部分分別進行一次量測，以利後續的比較對照。藉此更進一步分析該氧化層的成分性質，這也是此次在 H-SGM 上實驗的主要用意。如圖 4-9 所示。

因為這塊試片的氧化層成分是(Ga2O3-Gd2O3) 因此在氧化物的分析上可能會出現較複雜的形式例如如美國 Bell 實驗室先前所觀察到可能有某種形式的混合氧化物(mix-oxide) [14-15] ，在觀察所量測 MH1686 氧 O (1S)的束縛能譜明顯應是有不只一種成份的氧化物因此我們在接著測試一塊試片 MH1495 (Ga2O3/GaAs)。其氧化層的原始生成成份是純質的 Ga2O3，因此在氧 O (1S) 的束縛能譜應是很明顯的 Ga-oxide 峰值位準可以此以作為定位比較的標準。結果如圖 4.7。

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 -5

ν

=600eV MH1686 (10nm,550⁰C)

Intensity (a.u.)

Binding Energy (eV)

圖4.6：以氬離子束撞濺試片 MH1686 (Ga₂O₃-Gd₂O₃/ GaAs) 時之不同階段的 XPS 能譜圖,由試片表面至試片基板。

538 536 534 532 530 528 526 524

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

18000

hν=600eV

MH1495(10nm,550

C)

Intensity(a.u.)

Binding Energy (eV)

圖 4-7：試片 MH1495 (Ga2O3 / GaAs) 經連續氬離子撞濺的氧 O ( 1s ) 變化能譜圖。由上而下為直至接近試片基板的變化。

同樣的，我們也將其砷和鎵的部分做一量測，如圖 4-8。一如先前所預測的在 MH1495 這塊試片的束縛能譜上，可觀察到在試片的表層以及近試片基板處其氧 O (1S) 位準皆在 532eV 處，至於能譜圖在由上而下的過程中可觀察到有些許峰值位準偏移的情形。這在一份研究氮化鎵和砷化鎵其表面的氧化反應的文獻中也提到當氧在 GaAs 基板上反應時，可能因破壞表面結構而造成所形成之氧化物能量遷移的變化[16-17]。

圖4.8：以氬離子束撞濺試片 MH1495 (Ga₂O₃ / GaAs) 時之不同階段的 XPS 能譜圖,由試片表面至試片基板。

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 -5

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

3500 21.3 eV

042108

042109 042107 042001

As(3d) 41eV

Ga(3d)

h ν =600eV MH1495(10nm)

Intensity (a.u.)

Binding Energy (eV)

由 MH1495 試片的研究我們再將 MH1686 此塊試片氧 O (1S) 的束縛能譜進行曲線配湊(curve fitting)。其結果如圖 4.9

結果顯示在 532eV 處亦可看到一隨撞濺而變化的峰值，其成份組成若以 MH1495 的對照來看應絕大部分是 Ga-oxide。(尤其其 fitting 所表現的半高寬 FWHM 亦無很大的變化差異)。我們可看到在接近試片表面的 042118 這條譜線，其 532eV 處的強度 (intensity) 較高些，

可能是些許原本試片表面的污染所造成，之後，經過陸續的撞濺過程此 532eV 的峰值位準呈現規律性的變化，逐漸增強最後在接近試片基板的 042208 這條譜線所顯示的點數讀值較低。因此我們的解釋是 532eV 這位置所代表的應主要是 Ga-oxide 的成份(在後續的研究中我們會再加以說明)，而為後在接近基板處也因撞濺而被漸漸清除。至於再約 530eV 處的峰值位準應是 Gd-oxide，對此我們將 MH1546 (Gd2O3/GaAs)此塊試片也以同樣的光源條件進行量測。如圖 4.10。

538 536 534 532 530 528 526 524

h ν =600eV MH1686(10nm,550

C)

042114

圖4.10：以氬離子束撞濺試片 MH1546 (Gd₂O₃ / GaAs) 時之不同階段的 XPS 能譜圖，由試片表面至試片基板。

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 -5

0 200 400 600 800 1000 1200

042218 042216 042215 042212

hν=600eV MH1546(3.4nm,550^oC)

Intensity(a.u.)

Binding Energy (eV)

540 538 536 534 532 530 528 526 524 0

1000 2000 3000 4000

(Gd

O

/ GaAs)

042219 042217 042214 042213

h ν =600eV MH1546(3.4nm,550

C)

Intensity (a.u.)

Binding Energy (eV)

圖 4.11 ：將試片 MH1546 (Gd²O³/ GaAs) 之氧 O (1S) 的部分作配湊曲線 (curve fitting)的工作。

再將 MH1546 此試片之氧 O (1S)也對照 MH1495 進行配湊曲線的工作。如圖 4.11。

這結果可看到 MH1546(Gd2O3/GaAs) 的氧 O (1S)亦有兩個峰值，其一是 532eV 另一是約 530eV。由此結果並和試片 MH1686 互相比較在經由兩試片的砷，鎵和釓能譜部分和 XPS 參考手冊 (Handbook of XPS by Perkin-Elmer Corporation) 加以比對，可知在由配湊曲線結果所顯現的峰值位準 532eV 處應是 Ga-oxide 為主，而排除是 Gd-oxide 的可能性，且因為進行試片測試時的起飛角(take off angle)為 90^o之垂直入射分析儀，因此也排除是來自試片表面污染佔大部分的可能性。

相對的，我們在 MH1686 和 MH1546 皆有觀察到 530eV 左右的位準，而在以純質的 Ga2O3 以作為氧化層的試片 MH1495 上則並未看到，因此我們也推論在 530eV 處所代表的應就是 Gd-oxide。

但在進一步觀察由 MH1546 此塊試片所得的配湊曲線分析，我們發現由於 MH1546 (Gd2O3/GaAs) 此塊試片亦是由純質的 Gd2O3所蒸鍍生成的氧化層，但在 532eV 處卻也有大比例 Ga-oxide 的峰值表現這和先前 Bell 實驗室所認為可能有混和氧化物的看法也許有所關聯，對此我們試著也將砷，鎵，釓的能譜(屬於較低束縛能處) 中之

43 hν=600eV MH1546(3.4nm,550^oC)

Intensity (a.u.)

有關鎵的部分進行配湊曲線的工作。因為氧 O 的電負度 (electronegativity) 相對於其他種元素是極大的，為 3.5。因此對於和所結合之不同氧化態元素所表現的能量為移並不明顯，所以我們針對鎵的部分做曲線配湊，以期以另一個角度來對於氧化鎵氧化物的組成作進一步的研究如圖 4.12 所示。經曲線配湊的工作，試片 MH1546 在 20.3eV 處有一峰值，因此我們在對之前在 L-SGM 光束線上所量測的 MH1550 (Gd2O3/GaAs)也進行一樣的處理，亦發現在 20.3eV 有一峰值如圖 4.13。

再觀察所有前面所作過的試片我們發現凡是(Ga2O3-Gd2O3/GaAs) 組成的試片，經曲線配湊後，其 Ga-oxide 之 Ga 的最高峰值位準皆在 21.0eV 左右，如圖 4.17。而 (Gd2O3/GaAs)組成的試片其 Ga-oxide 的 Ga 皆在 20.3eV，相對的，(Ga2O3/GaAs)組成的試片如 MH1270 經曲線配湊，最高峰值位準則是在 21.5eV 處，如圖 1.4 所示。

由此可推論當氧化物成長於砷化鎵表面上時其結構可能正如氧化矽之成長於矽之表面時有一過渡的 SiOX成份區域 [17-18]，且因原蒸鍍的材料不同而變化。

當試片是以純質的 Ga2O3蒸鍍於砷化鎵表面而形成氧化層時，其主成份應是 Ga2O3，因其 Ga 的氧化態較高因此所量到的 Ga(3d)電子之束縛能較高約在 21.5eV 處。

h ν =120eV

MH1550(3.1nm,500⁰C)

Intensity (a.u.)

Binding Energy (eV)

圖 4.13：我們將試片 MH1550 (Gd²O³/ GaAs) 之鎵(Ga) 的部分作配湊曲線(curve fitting)。

而 (Ga2O3-Gd2O3/GaAs) 結構所組成的試片，因砷的電負度 (electronegativity) 1.1 和鎵的電負度 1.6 極為接近，因此很可能在生成氧化層的過程中因互相進行競爭和氧鍵結的行為而產生所謂的混和氧化物 (mix-oxide)，而 Ga 大部分是以 GaO 的氧化型式存在於所成的氧化層中。至於 (Gd2O3/GaAs) 所組成的試片因在蒸鍍成長氧化層的過程中試片砷化鎵基板的 Ga 有極大的機會因熱擴散 (diffusion) 至 Gd-oxide 氧化層中亦因電負相近而和 Gd 作氧的結合競爭，形成 Ga2O 的氧化物存在於氧化層中。因一價的 Ga⁺離子對價電子的束縛能較低因此所量測到量值也約在 20.3eV 之較低處。

在進一步的分析中，我們再將 (Ga2O3/GaAs)，(Gd2O3/GaAs) 與 (Ga2O3-Gd2O3/GaAs) 三種試片的成份組成隨不同階段撞濺的變化做一比較。如圖 4.14 與圖 4.15。在 (Gd2O3/GaAs) 的分析方面我們選取兩片製成條件相近的試片，加入 O (1s) 變化的比較，如圖 4.16。

在 (Ga2O3-Gd2O3/GaAs) 方面，選擇 MH1686 此塊試片做曲線配湊與比較的工作，如圖 4.17 與圖 4.18。

24 23 22 21 20 19 18 17 16

0 4000 8000 12000 16000 20000

21.5eV

MH1270(23nm,400

C)

Ga Ga

¹⁺

Ga

²⁺

Ga

₂

O

₃

h ν =120eV

Ga

O

/ GaAs

Intensity(a.u.)

Binding Energy (eV)

圖 4.14: 將試片 MH1546 (Gd²O³/ GaAs) 之鎵(Ga) 的部分作配湊曲線(curve fitting)的工作。由上而下為愈近基板處。

0 10 20 30 40 50 60 70 80 0

1000 2000 3000 4000 5000

Ga

O

/ GaAs MH1270(23nm,400

C) h _ν = 120eV

Ga As

Ga⁺¹

Ga⁺³ Ga⁺²

Concentration

History of sputtering (Kev • _min)

0

26 24 22 20 18 16 0

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

21.0eV Ga

⁺¹

GaAs Ga

⁺²

MH1686(10nm,550

C) Ga

₂

O

₃

- Gd

₂

O

₃

/ GaAs h ν =120eV

Intensity (a.u.)

Binding Energy (eV)

圖 4.17 : 將試片 MH1686 (Ga²O³-Gd²O³/ GaAs) 之鎵(Ga) 的部分作配湊曲線(curve fitting)的工作。

History of sputtering (Kev • _min)

圖 4.18 : Ga2O3-Gd2O3 / GaAs 試片各組成成份與其 O (1s) 隨不同階段撞濺之變化比較圖。

在文檔中氧化鎵釓-砷化鎵介面之X-射線光激頻譜之研究 (頁 36-62)

4-1 L-SGM 光束線上的實驗

Intensity (a.u.)

Binding Energy (eV)

Intensity (a.u.)

Binding Energy (eV)

h ν =120eV MH1550(3.1nm,500

C)

Intensity (a.u.)

Binding Energy (ev)

Intensity (a.u.)

Binding Energy (eV)

4-2 H-SGM 光束線上實驗與氧化層成分分析

ν

Intensity (a.u.)

Binding Energy (eV)

538 536 534 532 530 528 526 524

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

18000

MH1495(10nm,550

C)

Intensity(a.u.)

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 -5

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

3500 21.3 eV

042108

042109 042107 042001

As(3d) 41eV

Ga(3d)

h ν =600eV MH1495(10nm)

Intensity (a.u.)

Binding Energy (eV)

h ν =600eV MH1686(10nm,550

C)

Intensity(a.u.)

Binding Energy (eV)

540 538 536 534 532 530 528 526 524 0

1000 2000 3000 4000

(Gd

O

/ GaAs)

h ν =600eV MH1546(3.4nm,550

C)

Intensity (a.u.)

Binding Energy (eV)

Intensity (a.u.)

h ν =120eV

Intensity (a.u.)

Binding Energy (eV)

21.5eV

MH1270(23nm,400

C)

Ga Ga

Ga

Ga

O

h ν =120eV

Ga

O

/ GaAs

Intensity(a.u.)

Binding Energy (eV)

Ga

O

/ GaAs MH1270(23nm,400

C) h ν = 120eV

Concentration

History of sputtering (Kev • min)

History of sputtering (Kev • min)

0

21.0eV Ga

GaAs Ga

MH1686(10nm,550

C) Ga

O

- Gd

O

/ GaAs h ν =120eV

Intensity (a.u.)

Binding Energy (eV)

C) h _ν = 120eV

History of sputtering (Kev • _min)

History of sputtering (Kev • _min)

History of sputtering (Kev • _min)