實驗結果與討論

4-1 樣品 Al/Ti/Si

本實驗使用的草酸溶液與硫酸溶液濃度為 0.3M 且擴孔時用的溶液為 5%磷酸。

4-1-1 草酸電解液：

擴孔時間調變實驗分析：

實驗目的：

想藉由樣品 Al/Ti/Si 在草酸溶液中陽極氧化，找出合適的參數以便利於應 用在 GaN 基板上。

實驗參數：

由於根據文獻上的資料，故把此部分實驗的氧化時間設定為 90min，實驗條 件參數如表 4-1 示：

Sample

電壓 氧化溫度 擴孔時間 擴孔溫度

J950105-1 50V 20°C

0 min

20°C J950105-2 50V 20°C

40 min

20°C J950109-2 50V 20°C

50 min

20°C J950214-4 50V 20°C

60 min

20°C J950214-5 50V 20°C

70 min

20°C

表 4-1 調變擴孔時間

實驗量測：

藉由掃描式電子顯微鏡的觀察後再以電腦軟體分析孔徑分佈，結果由下列圖 形所示。

(a)

Fig.4-2(a)擴孔 40min 的表面形貌圖；(b)擴孔 40min 的孔徑分佈圖，孔徑平均值約為 52.8nm

(a)

Fig.4-3(a)擴孔 50min 的表面形貌圖；(b)擴孔 50min 的孔徑分佈圖，孔徑平均值約為 61.74nm

(a)

30 40 50 60 70 80 90 100

0 2 4 6 8 10

count

diameter (nm)

Count

(b)

Fig.4-4(a)擴孔 60min 的表面形貌圖；(b)擴孔 60min 的孔徑分佈圖，孔徑平均值約為 67.83nm

(a) (b)

Fig.4-5(a)擴孔 70min 的表面形貌圖；(b)擴孔 70min 的側面圖

由以上圖形與數據統計，孔徑大小分別約為未擴孔-31.87nm；擴孔

40min-52.8nm；擴孔 50min-61.74nm；擴孔 60min-67.83nm，至於擴孔 70min 的 圖形，因為時間過長故會出現孔與孔之間吃穿的現象，本實驗在擴孔時間上將設 定為 40min。

氧化溫度調變實驗分析：

實驗目的：

想要了解氧化溫度的不同，對於多孔性氧化鋁有什麼影響，進而找出最佳的 J950317-2 50V 10°C 90 min 40 min 20°C J950105-2 50V 20°C 90 min 40 min 20°C J950320-2 50V 30°C 90 min 40 min 20°C

(a)

(a)

由圖 4-11 發現溫度不會影響孔徑的大小與孔洞密度的多寡，接著比較 0°C、10°

C、20°C、30°C 側面圖之間的差異。

(a)0°C (b)10°C

(c)20°C (d)30°C Fig.4-12 不同溫度的側面圖

由側面圖可以發現當氧化溫度逐漸升高時，氧化鋁底部阻障層部分會有空隙的產 生，而空隙的產生推測是由於溫度升高造成底部的局部熱效應使得該部分的氧化 鋁快速溶解，以致於會有空隙的產生。在 0°C 至 10°C 範圍內孔洞密度呈現遞減 的趨勢，以側面圖來看並沒有太多的空隙產生，但在 20°C 與 30°C 的側面圖發現 有許多的空隙產生，因此若要得到最佳化的氧化溫度則是在 0°C 至 10°C 範圍內，

因為氧化溫度太高會有剝離的現象產生。

操作電壓調變實驗分析：

實驗目的：

欲從調變電壓的方法找出探討操作電壓和多孔性氧化鋁的孔徑大小與孔洞 密度之間的關係。

實驗參數：

實驗條件參數如表 4-3 示

Sample

電壓 氧化溫度 氧化時間 擴孔時間 擴孔溫度

J950303-1

10V

20°C 90 min 40 min 20°C J950227-3

20V

20°C 90 min 40 min 20°C J950227-2

25V

20°C 90 min 40 min 20°C J950227-1

35V

20°C 90 min 40 min 20°C J950105-2

50V

20°C 90 min 40 min 20°C J950302-1

60V

20°C 90 min 40 min 20°C

表 4-3 調變操作電壓

實驗量測：

孔洞密度與孔徑大小量測結果如以下圖形所示

(a) (b)

Fig.4-13 (a)電壓 10V 的表面形貌；(b)電壓 10V 的側面形貌

(a)

(a)

綜合 Fig.4-13~Fig.4-18 的觀察發現當電壓為 10V 時，在表面形貌無法觀察到孔 洞，但在側面圖可發現形成一條條不完整的通道，故以草酸為電解液時操作電壓 不宜小於 10V，接著把各電壓對孔洞密度或對孔徑作圖，如 Fig.4-19 所示可知孔 徑會隨著操作電壓增加而變大，當電壓在 25V 至 35V 範圍時孔徑大小的變化不 大，大小約在 30nm~40nm 之間；但當電壓大於 35V 到 60V 範圍時孔徑大小約在 35nm~65nm 之間，密度方面來說，發現孔洞密度隨電壓下降而上升。

0 10 20 30 40 50 60

擴孔時間調變實驗分析：

實驗目的：

由於依照草酸電解液的擴孔時間會使得以硫酸為電解液的氧化鋁產生穿孔 及管壁的侵蝕，故必須重新設定在硫酸中的擴孔時間，首先參考文獻資料暫時設 定出幾個時間，分別為 10min、20min、30min 與 40min。

實驗參數：

實驗條件參數如表 4-4 所示：

Sample

電壓 氧化溫度 氧化時間 擴孔時間

J950501-1 20V 1°C 30 min

10 min

J950501-2 20V 1°C 30 min

20 min

J950501-3 20V 1°C 30 min

30 min

J950501-4 20V 1°C 30 min

40 min

表 4-4 調變氧化時間

實驗量測：

(a) (b)

Fig.4-20 (a)擴孔 10 min 的表面形貌；(b)擴孔 10 min 的側面圖

(a) (b)

Fig.4-21 (a)擴孔 20 min 的表面形貌；(b)擴孔 20 min 的側面圖

(a) (b)

Fig.4-22 (a)擴孔 30 min 的表面形貌；(b)擴孔 30 min 的側面圖

(a) (b)

Fig.4-23 (a)擴孔 40 min 的表面形貌；(b)擴孔 40 min 的側面圖

擴孔 10 min 孔洞密度約為 4.101*10¹⁰#/cm²且孔徑平均值約為 19.30nm；擴孔 20 min 孔洞密度約為 4.223*10¹⁰#/cm²且孔徑平均值約為 23.04nm；擴孔 30 min 孔洞密度約為 4.182*10¹⁰#/cm²且孔徑平均值約為 27.78nm；擴孔 40 min 孔洞密度 約為 4.467*10¹⁰#/cm²且孔徑平均值約為 34.83nm。從 Fig.4-20～Fig.4-23 發現擴 孔 30 min 與 40 min 的圖片中孔洞與孔洞之間有吃穿的現象，因此擴孔時間上將 設定在 20 min

操作電壓調變實驗分析：

實驗目的：

因為硫酸電解液所使用的操作電壓較草酸電解液小，所以孔洞密度上會較 密，故欲調變操作電壓來探討孔洞密度與孔徑的變化。

實驗參數：

實驗條件參數如表 4-5 所示：

Sample

電壓 氧化溫度 氧化時間 擴孔溫度 擴孔時間

J950620-1

15V

1°C 30 min 20°C 20 min J950501-2

20V

1°C 30 min 20°C 20 min J950620-2

25V

1°C 30 min 20°C 20 min J950620-3

30V

1°C 30 min 20°C 20 min

表 4-5 調變擴孔時間

實驗量測：

(a) (b)

Fig.4-24 (a)電壓 15V 的表面形貌圖，孔洞密度約為 6.353*10

¹⁰

#/cm

²

；(b) 電壓 15V 的側面圖，

孔徑平均值約為 17.04nm

(a) (b)

Fig.4-25 (a)電壓 20V 的表面形貌圖，孔洞密度約為 4.223*10

¹⁰

#/cm

²

；(b) 電壓 20V 的側面圖，

孔徑平均值約為 23.04nm

(a) (b)

14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

(a) (b)

Fig.4-29 (a)氧化 90min 後的樣品圖；(b)氧化 30min 後的樣品圖

從 Fig.4-29 不難發現，在氧化 90min 與氧化 30min 後的樣品表面上的氧化鋁大 部分都剝離消失，因此為了改善此情形，故首先把鋁層厚度增加至 1μm 以期望 能改善氧化鋁剝離的情形接著提高電壓來觀察氧化後的情況。條件參數如表 4-7 所示

(Al(1μm)/Ti(500Å)/GaN)

Sample

電壓 電解液 氧化溫度 氧化時間 擴孔溫度 擴孔時間

J950624-1

40V

草酸 0°C 90 min 20°C 40 min J950624-2

50V

草酸 0°C 90 min 20°C 40 min

表 4-7 調變操作電壓

實驗量測：

(a) (b)

Fig.4-30 (a)電壓 40V 的樣品圖；(b)電壓 50V 的樣品圖；(c)電壓 40V 的 top view (d)電壓 40V 的 cross section

(c) (d)

比較 Fig.4-29(a)與 Fig.4-30(a)發現把鋁的厚度增加後，剝離的情況有明顯的 改善，但從 Fig.4-30(a)能看見氧化鋁上有許多的坑洞（如圈圈標示），這樣的結 果顯然不夠好；但若加大電壓則會造成如圖 4-30(b)一樣，樣品表面氧化鋁剝離 得更多，因此決定把操作電壓降低，但由於草酸電解液不適用在電壓 40V 以下，

故須把電解液改換成硫酸，實驗參數如表 4-8 所示。

(Al(0.2μm)/Ti(500Å)/GaN)

Sample

電壓 電解液 氧化溫度 氧化時間 擴孔溫度 擴孔時間

J950626-5

30V

硫酸 1°C 30 min 20°C 20 min J950626-4

20V

硫酸 1°C 30 min 20°C 20 min

表 4-8 調變操作電壓

實驗量測：

(a) (b)

Fig.4-31 (a)電壓 30V 的樣品圖；(b)電壓 20V 的樣品圖

以 Fig.4-31 明顯看出來當電壓降至 20V 時能改善氧化鋁剝離的情形，但表面上

還是有斑點般的坑洞，所以本實驗為了克服氧化鋁剝離的主要方法即是把操作電 壓降低。

4-2-2 Al/SiO²/GaN 系列：

實驗目的：

一般在製程技術上大都以 SiO²為 mask，也就是說在 SiO²為 mask 的技術上會 遠比在以 Ti 為 mask 技術純熟，因此便想以 SiO²來取代 Ti。

實驗參數：

在 4-1-1 節中已得知若要改善氧化鋁剝離的情況，可以降低操作電壓來達到 目的，因此如表 4-9 將改變操作電壓來觀察樣品表面情形。

(Al(0.2μm)/SiO²(250Å~300 Å)/GaN)

Sample

電壓 電解液 氧化溫度 氧化時間 擴孔溫度 擴孔時間

J950512-1

35V

草酸 0°C 90 min 20°C 40 min J950512-2

40V

草酸 0°C 90 min 20°C 40 min J950626-3

20V

硫酸 1°C 30 min 20°C 20 min

表 4-9 調變操作電壓

實驗量測：

Fig.4-32 (a)電壓 35V top view Fig.4-32 (b)電壓 35V cross section

Fig.4-32 (c)電壓 40V top view Fig.4-32 (d)電壓 40V cross section

Fig.4-32 (e)電壓 20V top view Fig.4-32 (f)電壓 20V cross section

Fig.4-32 為在 Al/SiO²/GaN 上調變電壓所做得陽極氧化樣品照片，(b)圖與(d)圖 中為電壓 35V 與 40V 的側面圖，可以發現氧化鋁與 GaN 分離，但若把操作電壓降 至 20V 從側面圖來看，發現氧化鋁還附著在 GaN 上，故絳低電壓的確可以改善薄 膜脫離問題。

在文檔中 在矽基材與氮化鎵基材上利用陽極氧化鋁製作奈米級光罩 (頁 39-59)