4-1 調變無摻雜的成核層與磊晶層之電性研究
4-1.1 成長樣品的目的性
在 2-2 節中我們詳述過，由於氮化鎵與其基扳在表面晶格不匹配之下磊晶，受 到其晶格常數不匹配的情況，其基板會受到張應力 (tensile stree)的現象而在磊 晶過程中增加其崩裂 (crack)的機率。於是西元 1991 年 Nakamura et al.使用兩階 段成長方式 (two step growth)，先以低溫的腔體環境成長一層 GaN nucleation layer 當緩衝，待磊晶平坦後再升至高溫成長 GaN 薄膜[8]，將可以有效磊晶出高品 質的樣品。因此，在基板上先成長一層 nucleation layer 的必要性及其影響性是必 要的。許多文獻研究也指出[29~32]，調變 nucleation layer 這層磊晶層的成長條 件將會強烈的反應在電性量測上，又以研究模擬出磊晶層的顆粒大小與其應力的釋 放有其反比關係（圖 4-1）[13]。於此，我們試圖調變 nucleation layer 與磊晶層 上的環境條件，改變腔體壓力增加其 grain size，並搭配電性量測上的研究進而改 善磊晶條件。
4-1.2
樣品結構圖
樣品結構如圖 4-2。左上方為樣品 807，其成長條件是從基板上的 nucleation layer 到其上的磊晶層皆為低壓 200 mbar 的腔體壓力成長。左下方為樣品 810，其 與樣品 807 之差異性在於磊晶層的壓力升為高壓 400 mbar。右上方為樣品 808，其 nucleation layer 的壓力升至高壓 400 mbar，磊晶層仍保持 200 mbar。最後右下方 為樣品 811，其磊晶條件與 807 完全相異，維持高壓 400 mbar 的腔體壓力磊晶完整 片。四片樣品皆延續 Nakamura 所宣稱的兩段式成長條件，先以低溫 500 C0 的環境成 長成核層，接著再將環境升溫至 1050 C0 磊晶。
4-1.3 XRD 及其 SEM 之結果
在長庚大學陳乃權教授率領的研究團隊下，完成樣品的製備及其 X-ray Diffraction Analysis (XRD) 和掃描式電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscope -SEM)的量測。XRD 主要為研判晶格平整度的一個依據，利用 X-ray 打在 晶格表面上，若其反射線不發生在某一特定之角度，則其反應在半高寬上是較胖，
意即晶格在磊晶時受到 strain 等效力，會間接影響到磊晶品質。 圖 4-3 是對於此 四片樣品初步在 102 面上用 X 射線進行的電性量測，從表格 4-1 可知 nucleation layer 以高壓的腔體條件成長 (樣品 808、811)其半高寬較低壓條件成長的樣品 (807、810)還來的小，反倒是改變其成核層上的磊晶層的壓力條件並沒有反應在半 高寬及其峰值強度。圖 4-4 為 SEM 在化學蝕刻下的結果。
4-1.4 蕭基二極體電流分析
由於我們的樣品是以鎳 (Ni)為金屬將其電極製做成 Schottky contact，於是我 們對樣品分別進行順、逆偏的變溫 I-V 量測。利用公式(3.6)對量測結果加以擬合不 同溫度下的 ideal factor (n)及其 Schottky barrier height (ψB0)。首先從逆向 偏壓的變溫 I-V 曲線可知此四片樣品存在大量漏電流 (Leakage current)，圖 4-5 中顯示逆向偏壓下的電流值不隨溫度而改變。圖 4-6 為公式(3.6)加以擬合出的結 果，在低溫時我們發現其ψB0相當小且 ideal factor 的值大幅遠離 1，此結果顯示出 在低溫時其電流的傳導機制不再以 thermionic emission 為主導，也就是在低溫時 疑似有缺陷捕捉載子導致穿隧電流的行為發生。在高溫時，其四片樣品的ψB0皆相當 接近於理論值 0.89 eV 及 n 值也極為接近 1，代表樣品在高溫時遵循著蕭基二極體的 定義且其電極的製作也確定不會對量測造成影響(表 4-2)。
4-1.5 串聯電阻的量測
串聯電阻的來源一般是由於基材電阻或接面電阻所造成，另外的可能來源是由
們也可以針對圖 4-5 的結果同時擬合出串聯電阻，如表 4-2 所示。比較樣品 807 及 808，可發現 nucleation layer 以高壓的腔體壓力來成長確實會相較於以低壓的成 長條件磊晶出來的阻值還降低一個數量級 (order)。
從 I-V 量測的結果我們可推納出此四片未摻雜的氮化鎵是具有高阻值的材料特 性，所以我們在做導納頻譜量測 (admittance spectroscopy)時，可以藉由第 3-3 節的儀器討論中，分析此四片在高頻下由於受到高阻值 RC effect 的影響而使得電 容掉至 0 pF。藉由公式(3.15)，計算圖 4-7 量測室溫 (T=300K) 0 V 下的 C-F 圖，
其中計算出來的串聯電阻整理在表 4-3 中，其結果與 I-V 量測的結論一樣，仍然是 成核層以高壓的成長條件下將可以有效降低其阻值。一般來說，電阻是一個不隨溫 度而響應的元件，透過兩種不同量測機台 (直流偏壓下的 I-V 及交流訊號下的 C-F)，
除了可加以量測出其樣品的阻值，也可以交叉比對金屬接面的好壞。
4-1.6 暫態深層能階量測 (DLTS)
由於此材料具有高阻值的特性，所以在做電性量測時應取適當的量測頻率以避 開串聯電阻，而導致量測誤判的結果。所以當我們要對樣品進一步作暫態深層能階 (DLTS)的量測時，我們必須先確定量測頻率已避開串聯電阻干擾訊號的效應。從表 4-3 中，藉由導納頻譜量測出的阻值，當其高阻值效應達到 R=105 Ω以上時，此時由 於 DLTS 量測頻率 F=1 MHz 已經受到串聯電阻的影響而使得電容值掉至接近於 0 而造 成量測訊號過於微弱，也就是說，樣品本身存在大電阻而導致空乏層無法有效空乏 [33]，以至於我們無法針對樣品 807 及 810 進行深層能階的電性量測。
將樣品 808 (Hp/Lp)及 811 (Hp/Hp)作 emission DLTS，可以發現此兩片樣品在 高溫處其缺陷對於載子都有一個暫態電容的表現，如圖 4-8。利用公式(3.25)進而畫 出 Arrhenius plot。可知道此兩片樣品來自於相同的缺陷能階，參考文獻資料認定 極有可能是 Nitrogen Antisite (NGa)所形成的缺陷能階 [14、31、34~40]。圖 4-8 (b) 顯示在高溫處出現峰值往上的訊號，在這裡認定是由於樣品存在高阻值而出現訊號
反向的行為，進而使得主峰值的溫度往低溫平移，反應在 Arrhenius plot 出現兩條 平行線的擬合直線[41]。
此兩片為不同條件下成長磊晶層，但對缺陷的抑制行為卻沒有影響。因此，我 們更進一步對此缺陷能階作深入的探討，但由於未摻雜的氮化鎵其為高阻值的材料 特性，我們必須有效解決此問題的存在性才能藉由量測儀器做更深入的研究，於是 我們另外磊晶一片以 Si 為摻雜的 n 型氮化鎵在成核層之上，目的希望可以降低其高 電阻的材料特性。
4-2 Nitrogen Antisite defect level 的電性探討
為了可以有效針對此 native defect level 作研究，我們必須解決上述實驗過 程中，受到材料高阻值的特性而造成量測誤判的結果。儘管樣品 808 及 811 有量測 到此 defect level，但由於其阻值仍究高達 104 Ω，且其電流主導機制並非以 thermionic emission 為主導。於是，我們另外磊晶一片樣品 normal，其成長條件 與樣品 807 相似，從成核層到整片樣品磊晶的腔體壓力皆為低壓 200 mbar，相異之 處在於樣品 normal 為在成核層上多磊晶一層以 Si 摻雜的 n 型氮化鎵 1 μm，接著再 成長與樣品 807 同為 2 μm 的未摻雜氮化鎵，其結構與 807 比較如圖 4-9。成長此 n 型材料層的目的性希望可以降低其樣品阻值，使得電流流通低阻值的 n 型材料層以 避免串聯電阻對量測的影響。其利用公式(3.6)擬合出正向 I-V 曲線的串聯電阻之值 如表 4-1 所示，從表中我們可以知道此 n 型氮化鎵的成長層確實會降低其氮化鎵的 阻值約 2~3 個數量級。
4-2.1 I-V 與 C-V 量測
首先，樣品 normal 先作順、逆向的變溫 I-V 量測，並與樣品 807 作比較如圖 4-10，
可知樣品 normal 在成核層上多磊晶一層 n 型氮化鎵不僅有效降低其電阻值 3 個數量 極(表 4-2)，與樣品 807 逆向電流的比較還有抑制漏電流的效應。不僅如此，此樣品
在逆偏時的電流機制是以 thermionic emission 為主導，以至於其電流對溫度有響 應。在低溫時，由於電流值相當小受到機台限流的關係，所以其電流值的變化我們 無從得知。
我們將頻率選在低頻 F=100KHz 作變溫的 C-V 量測。由於此樣品屬於 Bulk 的結 構，加以其缺陷是廣泛分布於材料之中，所以在圖 4-11 我們看不到因為缺陷捕捉載 子的能力而導致電容在某一區段間恆為定值。藉由公式(3.10)我們將 C-V 所得之調 變空乏層對應的電容轉為濃度對深度的表現，圖 4-12 所示可以知道我們量測的空乏 範圍為 0.4~1.1 μm 也就是我們所要研究最接近金屬接面的 2 μm 未摻雜的氮化材 料，其氮化鎵的濃度不隨量測深度而變化皆為 Nd~1016 cm-3左右。
4-2.2 DLTS Measurement by emission pulse
由 CF 的分析我們知道未摻雜的氮化鎵 (例如 807)，由於其阻值高達 105次方, 進而使得 DLTS 的量測頻率 F=1 MHz 受到 RC 效應影響已至於我們量測不到缺陷訊號，
進而透過 n 型磊晶層的增加可以降低其阻值至 100 Ω 左右，於是我們就想知道，降 低阻值達 100 Ω 左右對於量測訊號是否又會受到影響? 於是我們透過 quality factor 的分析來加以探討[41]。我們知道氮化鎵的 substrate,也就是 sapphire 為 一個不導電的基板，所以在 contact 的製作上我們是將其製作成 u 型導通，所以其 電容電阻是一個串聯的等效電路，然而在做 DLTS 量測時，其機台的設計是考量到低 阻值的 RC 並聯電路，所以待量測樣品的電阻值會影響到電容的訊號時，此時量測到 的電容值訊號已非原樣品電容值的變化，故此時必須做適當的修正，圖 4-13。
於是我們引入一個 quality factor 來表示串聯電路與並聯電路的關係修正。我 們以樣品 807 為例，其電阻為 105次方，quality factor 為 19，進而算出量測電容 值是原始值的 10-3次方倍，也就是最後的量測訊號將受到樣品電阻影響而被縮小 10-3 倍，故這樣的數值告訴我們此片樣品在 DLTS 量測上其訊號大大受到高阻值的影響。
反觀是 normal，透過 n 型磊晶層的加入，其阻值為 100 Ω, quality factor 為 0.06，
量測到的電容值是相當接近於原始值，於是我們透過這樣的計算了解到此片 normal 的阻值是我們量測上所能接受的一個阻值大小，也確定此片樣品的量測訊號大小其 可信度是較高的，表 4-4。
樣品 normal 製備條件建立完後，確定其阻值不會對 DLTS 造成量測誤判。於是，
我們首先先給予樣品一個 emission plus (-0.5~ 0~ -0.5 V)，如圖 4-14。量測時 首先空乏到-0.5 V 維持空乏區電中性的準則，使得缺陷內無載子，接著給予一個 0 V 偏壓對缺陷作一個灌載子的動作，其中空乏時間也就是灌載子的時間為 tp=100 ms (filling pulse width)，接著量測空乏區回到穩態 (quasi-voltage)-0.5 V 時，
由於缺陷對載子具有補獲能力，使得載子跳出缺陷時有一個時間延遲 (time
由於缺陷對載子具有補獲能力，使得載子跳出缺陷時有一個時間延遲 (time