4-1-1 表面極性對化學機械研磨處理的差異
在沉積金屬電極前，我們要先對使用雷射剝離技術 (Laser Lift Off;
LLO)取得的獨立式氮化鎵基板做表面處理，先用粗磨去除磊晶留下的較 大起伏與雷射痕，然後以中膜去除粗磨造成的深刮痕，最後再以拋光處 理。我們在每一階段處理後，以 AFM 觀察化學機械研磨在 Ga-face(圖 4-1-1-1)與 N-face(圖 4-1-1-2)表面是否會有所差異。
圖4-1-1-1 AFM觀察經粗磨、中磨、拋光處理後的Ga-face表面
圖4-1-1-2 AFM觀察經粗磨、中磨、拋光處理後的N-face表面
我們可以發現，在經過粗磨的表面並沒有太大差異，但是在經過拋 光處理後，Ga-face仍可以依稀看到刮痕，而N-face表面已經看不到任何刮 痕，表面也相當平整，Roughness RMS 達到了0.55nm，但是以光學顯微 鏡觀察時，卻能見到圓形的蝕刻痕跡，與佈滿刮痕的Ga-face表面有很大
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的不同，同時N-face在經過拋光處理後，以肉眼觀察就可以發現樣品的邊 緣較中央來的薄，呈現刀刃狀(圖4-1-1-4)，不同於Ga-face樣品留有直角的 切邊(圖4-1-1-3)。
圖4-1-1-3 光學顯微鏡觀察拋光後的Ga-face表面，保有直角切邊
圖4-1-1-4 光學顯微鏡觀察拋光後的N-face表面，邊緣厚度較中央薄 根據之前的 CMP 經驗，樣品表面經過粗磨、中磨等機械研磨處理後，
會產生損害層[12]，在過去實驗室藉由透過 CL cross section 觀察到了 不發光的損害層區域(圖 4-1-1-5)，另外 CL、PL 主峰強度衰減來判斷損 害層的存在，根據過去經驗，長時間的拋光可以完整去除機械研磨造成 的 Ga-face 損害層(圖 4-1-1-6)。我們也透過了 PL 主峰強度確認了 N-face 也會產生損害層，並且透過相同的拋光處理，去除損害層並恢復 PL 主峰強度(圖 4-1-1-7)。
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圖4-1-1-5 SEM 與 CL cross section 觀察不發光的損害層區域(NOD 99 林子諒)
圖4-1-1-6 PL強度的改變可以判斷Ga-face損害層的出現與移除
圖4-1-1-7 PL強度的改變可以判斷N-face損害層的出現與移除
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4-1-2 低溫磊晶層的形成與量測
由於低溫磊晶層膜厚事實上是不均勻的，因此我們必須找到適當的 量測來判斷 LT 層是否完全去除。我們使用長時間的機械研磨處理 N-face( > 5hr )，以完全去除低溫磊晶層，接著我們分別對於僅作拋光處 理、還殘留 LT 層的樣品與完全去除 LT 層的樣品，分別進行 PL、CL 與 XRD 量測。
透過 PL 量測，還殘有 LT 層的樣品與去除 LT 層的樣品比較，不論 是在主峰強度或是半高寬，都沒有太大差異，無法判斷 LT 層的存在。
CL 量測時，半高寬不受 LT 層影響，去除 LT 層的樣品在主峰強度也只 有略為增加，也不足以判斷是否為 LT 層的影響。最後我們發現 XRD 的 半高寬對 LT 層相當敏感，若 N-face 留有 LT 層，半高寬將高達 233arcsec，
去除 LT 層後降至 133arcsec，相當接近 Ga-face 的 103arcsec。我們可以利 用 XRD 的半高寬值來判斷低溫磊晶層是否完全去除。
圖 4-1-2-1 低溫磊晶層對 PL 量測的影響
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圖 4-1-2-2 低溫磊晶層對 CL 量測的影響
圖 4-1-2-3 XRD 量測半高寬對 LT 層的存在相當敏感
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4-2 歐姆接觸製作於不同極性氮化鎵表面的差異 4-2-1 不同表面處理對歐姆接觸表現的影響
我們分別將機械研磨處理過與拋光過的樣品，鍍上金屬作為歐姆接 觸，接著分別進行 I-V 量測(圖 4-2-1-1)，可以發現不論是 N-face 還是 Ga-face，
在製作於未處理與拋光處理的樣品，都有線性的歐姆特性出現，但是只 要經過機械研磨，I-V 曲線就幾乎躺平，電阻大幅提高。
推測是因為機械研磨造成的損害層，使金屬與半導體間無法形成有 效接觸，因此若是要獲得良好的歐姆接觸，必須以拋光處理，再作後續 製成。
圖 4-2-1-1 經過不同表面處理樣品的 I-V 量測圖 表 4-2-1-1 經過不同表面處理樣品的接觸電阻
接著我們使用不同的拋光配方來處理 N-face 樣品，分別使用 SF1 六 小時、NaOCl 六小時、SF1 三小時再做 NaOCl 三小時，分別比較 I-V 特 性(圖 4-2-1-2)，計算電阻後，我們發現使用 NaOCl 表現並沒有特別變差，
因此可以排除 NaOCl 可能造成更多氧化層進而影響歐姆接觸的疑慮。雖 然不同的拋光配方對於歐姆電性表現似乎看不出差異，但是考慮了表面 粗糙度後，可以發現接觸電阻與表面粗糙度 RMS 呈正相關。
29 4-2-2-1)，可以發現 Ga-face 樣品即使經過拋光處理，仍遜於不處理的 N-face 樣品，不同極性使得 I-V 特性上有相當巨大的差異，接觸電阻也差距了 兩個數量級(表 4-2-2-1)，另外因為 N-face 樣品的表面粗糙度較高，因此 我們可以推測表面平整度影響的比例並不大。
Ga freestanding Ga Polish N freestanding N Polish
RMS(nm) X 0.599 X 1.576
Contact s(Ωcm2) 1.30 0.88 1.80 x10-2 1.80 x10-2 表 4-2-2-1 製作於已拋光之不同極性面樣品的接觸電阻與表面粗糙度
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圖 4-2-2-1 製作於不同極性面樣品的 I-V 量測圖
排除了表面的可能性後，我們推測可能是樣品內部的自發極性改變了歐 姆接觸的特性。為了更深入了解，我們分別對不同極性面樣品做 XPS 量 測，我們可以透過確認 Ga 3d 軌域中 Ga-O 與 Ga-N 峰值位置，發現 N-face 樣品的 Ga 3d 束縛能較 Ga-face 的往深處明顯偏移了 2.4eV(圖 4-2-2-2)，這 表示著 N-face 樣品中的 Ef比起 Ga-face 的更接近 E，我們可以推測 Ga-facec 在形成金半接面時會有較 N-face 更高的位障，甚至形成了蕭特基接觸，
而非歐姆接觸，而 N-face 的金半接面可能已經形成良好的歐姆接觸(圖 4-2-2-3)。這可以解釋未做退火時，Ti/Al/Ni/Au 在 GaN 的 N-face 上能有更 好表現的歐姆接觸，而在 Ga-face 上卻無法形成歐姆接觸。
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圖 4-2-2-2 自發極性對 Ga 3d 與 2p 軌域 Binding Energy 的 Shift
圖 4-2-2-3 自發極性對金半接面能帶彎曲的影響
隨後我們在 Ga-face 與 N-face 同時鍍上 Ti/Al/Ni/Au，形成一個垂直式雙面的 二極體結構，Ga-face 接上正極，N-face 接上負極，經過 I-V 與量測後(圖 4-2-2-3)，
確認 Ga-face 形成了蕭特基接觸，位障高度為 0.33eV，同時我們也驗證了先會形 Ti/Al/Ni/Au 在 Ga-face 成蕭特基接觸的推測。
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圖 4-2-2-4 在雙面鍍上 Ti/Al/Ni/Au 的 I-V 特性
4-2-3 不同退火溫度對歐姆接觸表現的影響
我們觀察不同的退火溫度對歐姆接觸的影響，首先我們分別對中磨 處理過的 N-face 與 Ga-face 做不同溫度退火，隨後做 I-V 量測，但根據數 據顯示(圖 4-2-2-3)，高達 850oC 退火還是無法改善，阻抗仍然非常的高。
圖 4-2-3-1 經中磨處理樣品退火後 I-V 特性
接著我們對已拋光的 Ga-face 與 N-face 樣品分別做不同溫度退火，
跟根據 Ga-face 的樣品 I-V 曲線(圖 4-2-3-2)，我們可以發現當退火溫度提 高到 750oC 時，歐姆接觸有了明顯的改善，當溫度提高至 850oC 時，特徵 接觸電阻相對未退火處理時下降了超過兩個數量級(表 4-2-3-1)。
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圖 4-2-3-2 Ga-face 樣品不同溫度退火後的 I-V 特性
接著我們分別對有無去除低溫磊晶層的 N-face 樣品做不同溫度退火，
我們觀察到的 I-V 特性與 Ga-face 的樣品有很大的不同，I-V 曲線並沒有 隨溫度上升而有太大的改變，但曲線開始稍微的變成非線性(反曲線)。
圖 4-2-3-3 N-face 樣品不同溫度退火後的 I-V 特性
接下來我們把計算出來的特徵電阻與退火溫度做比較，我們可以發 現到 Ga-face 樣品退火超過 750oC 後，電阻有大幅的下降，N-face 無論有 無 LT 層，在經過高溫退火後，電阻率都沒有太大改變，對於 N-face 與 Ga-face 對退火溫度趨勢的差異，我們猜測是接面出現合金或鍵結的改 變。
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圖 4-2-3-5 退火前(左)後(右)低略角 XRD 的變化
圖 4-2-3-6 退火後的 Ti 2p 軌域
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圖 4-2-3-7 高溫退火對 Ga-face 樣品接面能帶的影響
圖 4-2-3-8 退火後的 N 1s 軌
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4-3 蕭特基接觸製作於不同極性氮化鎵表面的差異 4-3-1 低溫層對於蕭基特接觸表面影響
我們將一片獨立式氮化鎵基板，雙面粗磨、中磨、拋光後，確認去 除乾淨了損害層，做過基本清潔後鍍上金屬成為蕭特基二極體，之後進 行 I-V 量測。根據 I-V 量測結果(圖 4-3-1-1)，Ga-face 樣品順利形成蕭特 基接觸，N-face 卻成了歐姆接觸。我們先以 XRD 半高寬來判斷 LT 層的 存在，分別對有無 LT 的樣品做霍爾量測(表 4-3-1-1)，發現 LT 層有著較 高的載子濃度。較高的載子濃度會使 Ef 更接近 Ec，使蕭特基位障寬度 變窄，穿隧效應增加，因此不易形成蕭特基接觸(圖 4-3-1-2)，由此得知，
N-face 若要製作蕭特基接觸，必須去除低溫磊晶層。
圖 4-3-1-1 N-face 與 Ga-face 蕭特基二極體 I-V 特性
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Hall Without LT with LT
n(cm-3)by hall 1.39x1017 5.3x1018
u(cm2/V-s)by hall 743 111
表 4-3-1-1 N-face 與 Ga-face 蕭特基二極體 I-V 特性
圖 4-3-1-2 較高的載子濃度(右)對金半接面能帶的影響
4-3-2 不同極性對於蕭特基接觸表現的影響
接下來我們以長時間的機械研磨處理 N-face，以移除低溫磊晶層，
5 小時約移除 160um，再以拋光移除機械研磨造成的損害層，便獲得雙 面拋光並且去除 LT 層的樣品。基本的清潔後鍍上金屬作為蕭特基二極 體，透過 I-V 量測(圖 4-3-2-1)，Ga-face 的樣品與 N-face 的樣品位障分別 為 0.6eV 與 0.376eV，Ga-face 樣品的逆偏漏電流也比 N-face 樣品低了 4 個數量極，這與過去文獻以 PIMBE 磊晶得到的結果大致相同[10]，未去 除 LT 層的 Ga-face 樣品並沒有受到 LT 層的影響，LT 層的影響應僅在 N-face，而未去除 LT 的 N-face 樣品則成了歐姆接觸。這樣的趨勢與我 們在 C-V 量測上所獲得的也大致相同(圖 4-3-2-2)，Ga-face 與 N-face 樣品 的位障高度分別為 1.28eV 與 0.82eV。
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圖 4-3-2-1 去除 LT 層後的 N-face 與 Ga-face 蕭特基二極體 I-V 特性 Ga-face noLT Ga-face LT N-face onLT N-face LT B.H(eV) 0.6 0.595 0.376 X
n 1.233 1.187 1.34 X
表 4-3-2-1 去除 LT 層後的 N-face 與 Ga-face 蕭特基位障與理想因子
圖 4-3-2-2 去除 LT 層後的 N-face 與 Ga-face 蕭特基二極體 I-V 特性 根據文獻[9][10]指出，利用 XPS 可以觀察到 Ev 的偏移，N-face 的 Ev 往能帶深處偏移了 1.4eV，這樣的現像在我們歐姆接觸的樣品上也得 到驗證，推測這是極性改變蕭特基接觸位障高度的主因。
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圖 4-3-2-3 極性對蕭特基接觸能帶彎曲的影響
另外，因為極性方向是從 Ga-face 指向 N-face(圖 4-3-2-3)，因此會在 Ga-face 表面吸附負電荷、N-face 表面吸引正電荷，這將會產生一個與 Ga-face 蕭特基接觸內建電場相同方向、N-face 相反方向的極化電場，進 而提高位障，反之降低 N-face 樣品位障，此外同時也會使 Ga-face 蕭特基
另外，因為極性方向是從 Ga-face 指向 N-face(圖 4-3-2-3)，因此會在 Ga-face 表面吸附負電荷、N-face 表面吸引正電荷，這將會產生一個與 Ga-face 蕭特基接觸內建電場相同方向、N-face 相反方向的極化電場，進 而提高位障，反之降低 N-face 樣品位障，此外同時也會使 Ga-face 蕭特基