晶體結構缺陷

本節針對 WZ-ZnO 常見的晶體缺陷進行簡單介紹，包含常見的 差排、疊差，以及其他可能於非極性氧化鋅存在的面缺陷。

2.1.3.1 線缺陷

磊晶成長的過程中，往往會因為晶格匹配、熱性質、表面能等的 變化與差異，而存在不同的應力，此應力釋放的機制中，差排扮演著 主要的角色之一。然而，差排對磊晶材料的光、電性質存在著顯著的 影響。大多數差排的布格向量(Burgers vector, b)皆為其最密方向，並 且可以沿著最密堆積面進行滑移。然而纖鋅礦為六方晶系統，不若一 般立方晶具有高晶體對稱性，故除了最密堆積面與最密堆積方向所形 成的滑移系統外，尚須考慮其他能量較高的滑移系統，於 WZ-ZnO 可能存在的滑移系統整理於表 2-1。[2.16, 2.17]

其中，布格向量(Burgers vectors, b)為₃¹

 11 2 0 

的 a 型差排(a-type) 有著最小的位移向量(3.25Å )，為纖鋅礦結構中最常見的差排；另外，

布格向量 b 為<0001>的 c 型差排，與同時具有 a+c 分量，布格向量 b 為₃¹

 11 2 3 

的混合式式差排，亦常於一般極性面磊晶的纖鋅礦半導體 中發現到；沿著 m 方向



1100



的差排，由於其易於分裂為兩個 a 型

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差排，故較少於六方晶結構中發現

。

表 2-1 ZnO 結構中可能存在的差排列表

# Burgers vector

b | b |

差排線方向

l



l b

Slip plane

1 ¹₃

 11 2 0 

^3.25Å



1120



⁰

^

^---

(screw dislocation)

2

 0001 

^{5.205 Å}

 0001 

0



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2.1.3.2 面缺陷

疊差為 WZ-ZnO 結構中常出現的面結構缺陷之一，對於纖鋅礦 結構來說，由於疊差面的不同，主要分為基面疊差(basal plane stacking fault, BSF)與棱柱面疊差(prismatic stacking fault, PSF)兩種，其中又以 {0001}面的 BSF 最為常見。

BSF 分為 Intrinsic 與 Extrinsic 兩大類，其結構排列如圖 2-3 所示。

以一完美的纖鋅礦結構而言，其堆疊方式為 2H 的 AaBbAaBbAaBb，

而 I1型疊差為 AaBbAaCcAaCc，其存在一個¹₆

 20 2 3 

的位移向量，此 位移向量為一個₃¹

 10 1 0 

蕭克利部份差排(Shockley partial dislocation) 與一個₂¹

 0001 

法蘭克部份差排(Frank partial dislocation)的總和，而 I2型疊差與 E 型疊差的排列則為 AaBbAaCcBbCc與 AaBbAaCcBbAa，

分別具有一個₃¹

 10 1 0 

位移向量與一個¹₂

 0001 

位移向量。這幾種疊 差中，I₁型疊差具有最低的能量，為纖鋅礦結構中最常見的疊差[

2.18, 2.19

]。

BSF 常在磊晶初期產生，然而，由於極性面與非極性面的磊晶成 長方向不同，導致極性面與非極性面磊晶中的 BSF 密度存在著相當 大的差異。在極性面磊晶成長中，由於其成長方向垂直於 BSF(平行

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BSF 法向量)，大多數的 BSF 會在成長過程中交互作用，而形成布格 向量為₃¹

 11 2 3 

的貫穿差排向上延伸[2.20]。但是對非極性面的磊晶薄 膜，由於其磊晶成長方向與 BSF 平行，BSF 將可於後續的成長過程 繼續向上延伸，故 BSF 於非極性磊晶薄膜中往往具有 10⁴ – 10⁵ cm^-1 以上的密度[2.21 – 2.23]，並不易於藉由磊晶成長的過程對其進行抑制，

致使 BSF 為非極性磊晶薄膜重要的議題之一。

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圖 2-3 纖鋅礦結構中之基面疊差(BSFs)[2.24]。

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在沿著{1120}的棱柱面方面，棱柱面疊差(Prismatic stacking fault, PSF)則具有₂¹

 10 1 1 

位移向量，[2.25]，其界面原子排列如圖 2-4(a)所 示，由於此種疊差面能量較高，其往往會分解成兩個 I₁型基面疊差，

如圖 2-4(b-c)所示，

圖 2-4 纖鋅礦結構中之棱柱面疊差(PSF)，(a) 棱柱面疊差之原子結構 示意，(b) 棱柱面疊差伴隨 I₁型基面疊差之示意[2.18]，(c) 棱柱面疊

差伴隨 I₁型基面疊差之 TEM 影像, [2.24]。

除了疊差外，雙晶(twin boundary)[2.26]、反轉晶界(inversion domain boundary, IDB*)[2-27]以及堆疊錯合界面(stacking mismatch

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boundary, SMB)[2.18, 2.24]亦為可能存在的幾種面缺陷。

其中雙晶面為 R 面

( 1 1 02 )

，沿著 R 面兩側，晶體如圖 2-5(a)所示 成鏡射關係，而反轉晶界則常見於 M 面

( 1 1 00 )

，其反轉晶界兩側如圖 2-5(b)所示，呈現極性相反之關係，為了降低能量，其反轉晶面兩側 大約有₈¹c 的位移量。而堆疊錯合界面與棱柱面疊差相同，存在於 A 面

( 11 2 0 )

，但是其具有¹₆

[ 20 2 3 ]

之位移向量(如圖 2-5(c)所示)，由於其不 會終止於晶體內部，故與棱柱面疊差相同，會伴隨著基面疊差存在。

這幾種界面亦可於非極性磊晶膜中發現，尤其是當磊晶膜存在多個生 長方向時將更容易產生[2-28]。

圖 2-5 纖鋅礦結構之(a)雙晶面[2.26]、(b)反轉晶界[2.27]與 (c)堆疊錯 合界面[2.18]。

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在文檔中 脈衝雷射沉積非極性A面氧化鋅於R面藍寶石基板之磊晶研究 - 表面形貌、應變，以及結晶性之演變 (頁 26-33)