第三章、 實驗方法
4.5 晶格錯配
圖 4-17 與圖 4-18 為 ZnO 沉積於 R 面藍寶石基板之高解析電子顯 微鏡影像，圖 4-17 為電子束沿著[0001]ZnO入射，可觀察
[ 1 100 ]
ZnO方向 之錯配補償機制，而圖 4-18 為電子束沿著[ 1 100 ]
ZnO入射，可觀察 [0001]ZnO與31[ 1 01 1 ]
Sapphire之界面晶格關係。圖 4-17 HR-TEM(a)、(c)、(e)高溫與(b)、(d)、(f)LT-ZnO/基板沿著 ZnO c 軸方向之(a)、(b)界面晶格影像，(c)、(d)反傅利葉影像以及(e)、(f)
錯配差排布格迴路(如紅點所示)。
106 半平面獨立存在，其多餘半平面平均間距為 1.3-2.2nm；而在圖 4-17(d) 所顯示的 LT-ZnO/R 面藍寶石界面影像中，其多餘半平面趨近於兩兩 成對，差排對與差排對間的平均間距則為 2.8-3.4nm。
仔細觀察其差排的差異，圍繞其差排核所得之布格迴路示於圖 4-17(e)與(f)，圖 4-17(e)為 HT-ZnO 的錯配差排，其錯配差排之布格向 量為31
2 110
ZnO，而 LT-ZnO 的錯配差排，其布格向量卻為 1 100
ZnO。107 不完美度(c-mosaic)增加[4.20]。在 XRC 的結晶性評估 20-100nm 的 ZnO 磊晶膜時，我們也的確發現低溫製程的 XRCc 往往具有較小的 半高寬，或許這 XRCs 結果與此錯配差排的分佈行為有關。
對於高溫與低溫所觀察到錯配差排的差異，我們無法確定究竟是 製程溫度導致生成時就已經不同，還是由於高溫製程環境較有利於 b=
1 100
ZnO差排的分解，但是就結果上來看，高溫與低溫製程所得108
到的 ZnO 磊晶膜，在
[ 1 1 00 ]
ZnO方向上的錯配差排，其分佈的確具有相 當程度的差異。在晶格匹配度較小[0001]ZnO的晶格錯配情形上，可由圖 4-18 之 高解析電子顯微影像觀察之，(a)與(b)分別為沿著
[ 1 1 00 ]
ZnO區軸所拍攝 之 HT-ZnO/sapphire、LT-ZnO/sapphire 界面晶格影像。此晶格影像為 電子束沿著[ 1 1 00 ]
ZnO區軸所拍攝，(a)與(b)分別為 HT-與 LT-ZnO 與基板 之界面晶格影像，而其( 0002 )
ZnOand ( 10 1 4 )
sapphire之反傅立葉影像則分別 示於(c)&(d)。圖 4-18 HRTEM 影像(a)、(c)HT-與(b)、(d)LT-ZnO/藍寶石界面沿著 m 軸觀察之(a)、(b)界面晶格以及(c)、(d)反傅立葉影像。
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由於此方向上的晶格匹配度較高，故僅存在著非常稀少的錯位差 排，這跟過去的研究非常相近[4.2, 4.3, 4.21, 4.22]；然而，若比較高溫 與低溫製程對此方向上界面的差異，仍可觀察到兩者個差異。在 HT-ZnO/sapphire 之界面觀察中，大約數微米的距離才可以發現到一 個多餘半平面，在沒有多餘半平面的區域，其界面接合情形都頗為完 整；而在 LT-ZnO/sapphire 之界面觀察中，其多餘半平面較
HT-ZnO/sapphire 容易發現，此外，儘管在沒有多餘半平面的區域，
亦十分容易觀察到界面接合不完美的情形(如同圖 4-18(d)圈起來的區 域)。
為了進一步瞭解不同製程條件下，其晶格錯配應力的釋放情形，
本研究進一步以
( 11 2 2 )
ZnO與( 30 3 0 )
sapphire的倒空間繞射圖(RSM)瞭解在 [0001]ZnO方向上的晶格應變情形。圖 4-19(a)與(b)為 50nm 氧化鋅分別 於低溫與高溫沉積於 R 面藍寶石基板的 RSM 圖，其繞射點位置所代 表 ZnO 於水平(d0002)與垂直(d
1120)方向上的晶格常數如表 4-1 所示。顯而易見的，圖 4-19(a)與(b)之應力釋放存在著明顯的差異，對於低 溫條件下所沉積的 ZnO 磊晶，儘管其存在-1.2%的應變，但圖 4-19(a)
顯示的
( 11 2 2 )
ZnO繞射點與( 30 3 0 )
sapphire繞射點在水平軸上仍存在著相當程110
幾乎是處於完全應變(fully strained)的狀態。若與圖 4-16 的 TEM 觀察 結果相比較，LT-ZnO/sapphire 較不完美的界面，以及密度較高的多餘 半平面，的確可能補償部份
[ 0001 ]
ZnO與[ 1 01 1 ]
Sapphire間的晶格錯配。為了進 一步確定此應力釋放是否與其製程所導致的界面有關，或是單純與後 續製程相關，本研究進一步將 50nm 的 HT-、LT-ZnO，分別沉積於 1200-pulse 低溫、高溫緩衝層上。圖 4-19(c)為 50nm HT-ZnO 沉積於低溫緩衝層之 RSM 圖，
( 11 2 2 )
ZnO繞射點與
( 30 3 0 )
sapphire繞射點仍舊在水平軸上存在著相當程度的位移，相反地，圖 4-19(d)所顯示的 LT-ZnO 沉積於高溫緩衝層 RSM，與直 接沉積的 50nm HT-ZnO 結果相似，其
( 11 2 2 )
ZnO繞射點與( 30 3 0 )
sapphire繞射 點在水平方向上趨近重合。這結果暗示著此方向上的應力釋放主要與 ZnO/sapphire 界面有關，HT-ZnO/sapphire 所形成的界面由於其界面的 完美度較佳，故錯配應力較難釋放，反之，在 LT-ZnO/sapphire 界面 存在的不完美，將可補償些微的錯配應力。111
圖 4-19 (a)LT-ZnO/sapphire、(b)HT-ZnO/sapphire、(c)HT-ZnO/LT-ZnO buffer/sapphire、(d)LT-ZnO/HT-ZnO buffer/sapphire 之
( 11 2 2 )
ZnO(綠色)與
( 30 3 0 )
sapphire(紅色)RSM 圖。在進行 HRXRD 的分析過程中，我們觀察到另一個值得注意的現
112
象，如圖 4-20(a)所示，幾乎在所有的 ZnO/r-plane sapphire 試片上，都 可觀察到 ZnO 之 A 面與 sapphire 之 R 面存在著大小不一的傾斜，此 傾斜方向都固定，為沿著 ZnO
[ 1100 ]
軸倒往 sapphire 之 M 面方向，角 度大約 0.1~0.3。Kong 等人亦於 A 面氮化鎵成長於 R 面藍寶石基板的研究中，以 TEM 觀察到類似的晶面傾斜現象[4.23]，他們進一步藉 由 plan view-TEM 觀察疊差與晶面傾斜、以及基板錯切的關係，提出 如圖 4-20(b)之模型，認為此晶面的傾斜是由於當高密度的疊差所造 成。
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圖 4-20 (a)ZnO A 面與藍寶石 R 面 RSM 影像，(b) Kong 等人提出之 晶面傾斜與疊差關係[4.23]。
儘管我們發現到[0001]ZnO方向上的錯配應力釋放與界面有關，且 在電子顯微鏡觀察中，也的確觀察到多餘半平面的差異，然而，由於 我們觀察到的多餘半平面皆為單獨存在，而纖鋅礦結構中的 c 型刃差 排由於其布格向量為[0001]，理應具有兩個多餘半平面，這導致我們 仍無法確定其錯配差排是來自於一般所說的 c 型錯配差排，或有其他
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可能。
Dimitrakopulos 的研究團隊也曾針對這個議題進行討論[4.20 , 4.24]，在他們的觀點中，[0001]GaN有著較大的布格向量，故會傾向分 解成具有61
[ 2 2 03 ]
的部份差排，若是如圖 4-21(a)中，以的錯配補償機制與 Dimitrakopulos 的推論相同，確實為錯配部份差排 所構成，的確可以觀察到如同我們於晶格影像以及 RSM 圖所觀察到 的現象，然而，由於我們並無法由界面影像確實觀察到疊差的存在，
尚無法確定我們所觀察到的現象就是來自於疊差以及錯配部份差排 所造成。
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圖 4-21 非極性纖鋅礦結構 C 軸方向，以部份差排為錯配差排之錯配 補償機制[4.20]。