在本章中，將先介紹近來 DBR 磊晶技術上的一些概況，接著介紹 為何選用氮化鋁(AlN)與氮化鎵(GaN)材料的 DBR 原因，接著介紹我們 實驗室所具有的技術與結果。
3-1 近來氮化鋁與氮化鎵 DBR 磊晶結果之概況
由第一章的介紹中可以知道 DBR 對於雷射元件的重要性，當 DBR 的反射率可以由 90％提升到 99％，雷射元件的臨界電流便可以降低 10 倍，如何減少磊晶層數且可達到高反射率、寬的 Stop Band，是目 前研究氮化鎵 VCSEL 各團隊均關切的。
在氮化鎵鋁(AlGaN)與氮化鎵(GaN)材料形成的 DBR 中，已經有許 多團隊利用分子束磊晶機台(Molecular Beam Epitaxy-MBE)22、 23、 24或 是 有 機 金 屬 化 學 氣 相 沈 積 機 台 (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition -MOCVD)25、26、27達成，也獲得了 99％以上的高反射率結果。
然而因為 AlGaN 與 GaN 兩著材料間的折射率差異小，導致 DBR 需要約 一百層才能達到 99％的反射率，如此多層的結構導致了磊晶上因為 應力而容易產生裂痕的問題。解決應力的釋放的方式為：在成長布拉 格反射鏡中時，每成長約 20 層，便插入一層 AlN 薄膜，用以適當地 釋放應力，完成 60 層無裂痕的 Al0.2Ga0.8N/GaN DBR 磊晶程序。26
在以氮化鋁(AlN)與氮化鎵(GaN)材料成長DBR方面，有美國波士 頓大學的H. M. Ng 與T. D. Moustakas 教授所提出的成果28，以 MBE 成長成長20.5到22.5對的 AlN/GaN DBR，在波長467 nm達成99％的高 反射率。而 MOCVD 機台部分，有日本的T. Shirasawa 與K. Iga 教 授提出以14對的 AlN/GaN DBR，在波長456 nm達成88%的反射率。
3-2 為何選用氮化鋁(AlN)與氮化鎵(GaN)材料的 DBR
考慮採用氮化鋁(AlN)與氮化鎵(GaN)材料來成長 DBR 的最優點 在於：在波長為 410nm，及能隙為 3.024 eV 的藍光範圍，氮化鋁折 射率約為 2.1；氮化鎵折射率約為 2.52，兩者的折射率差異△n 約有 0.42，如圖 3-2a 所示，相較於氮化鎵鋁(AlxGa1-xN)與 GaN 而言，氮化 鋁與氮化鎵的折射率差異較大；在吸收係數方面，這兩種材料在藍光 波段的吸收係數尚不算嚴重，在以上兩種條件的搭配之下，可以減少 欲達到高反射率的 DBR 磊晶層數；而且反射率頻譜的半高寬也相對的 較寬。上述的兩個重要結果，使得在製作元件時不但可以減少 DBR 磊 晶層數上的困難度與時間，也使得元件量子井的發光波長更容易與 DBR 的高反射區吻合。
然而採用這兩種材料來成長 DBR 的挑戰，在於氮化鋁與氮化鎵材 料的晶格常數差異大，AlN 的晶格常數為 3.112 A、GaN 的晶格常數
為 3.182 A，兩者晶格常數差異較 AlxGa1-xN 與 GaN 更大，在交互成長 的狀況下，在晶格常數不匹配下所產生的應力，容易使樣品為了釋放 兩種材料之間的應力而產生裂痕(Crack)，一旦產生裂痕後，落在其 上的元件品質便會受到影響，所以如何成長沒有裂痕且具有高反射率 的 AlN/GaN DBR 是最大的挑戰。
圖 3-2a 氮化鋁與氮化鎵之折射率參考圖 29
3-3 AlN/GaN DBR 樣品結果
我們使用 Emcore 型號 D-75 的 MOCVD 系統，在兩吋的 sapphire 基 板上成長 AlN/GaN DBRs，以 TMGa 與 TMAl 當鎵與鋁的有機分子源，
以氨氣(NH3)當氮的分子源。進行磊晶之前必須先在氫氣環境下，先 以高溫進行十分鐘去除氧化層動作，然後在低溫成長 30nm 厚度的氮 化鎵緩衝層後，再成長 1μm 厚的 GaN，至此完成準備成長 DBR 的基
本結構。在成長 DBR 時反應腔內完全是處於氮氣的環境下，我們成長 了 30 對的氮化鋁(AlN)與氮化鎵(GaN) DBR，詳細的磊晶條件請參考 H.H. Yao, C. F. Lin 於 2003 年 MRS 會議上之文章”MOCVD Growth of AlN/GaN DBR Structure under Various Ambient Conditions.”。
圖 3-3a 為樣品經光學顯微鏡在放大率為 200 倍下所拍攝到的結果，
可看到在顯微鏡拍攝的畫面區域中，樣品表面沒有裂痕的存在。為了 量測樣品表面的粗糙度，我們使用了原子力顯微鏡來進行量測，在下 一章節將會簡介其量測原理：
圖 3-3a 樣品表面之光學顯微鏡照面
3-3-1 原子力顯微鏡測量原理與結果分析
原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope)最大功能是樣品的表 面粗糙度分析與三維空間影像擷取，利用探針感測來自於試片表面的 排斥力或吸引力，當從遙遠處接近試片時，會感受到來自於試片的吸
500um
引力，但是當探針繼續接近試片表面時，探針與試片表面的排斥力會 逐漸增強，一般探針與探針的撐桿是經由矽化物一體成形蝕刻而成，
探針所感受到的作用力會使支撐桿產生彎曲，利用支撐桿彎曲的程度 可以反應出作用力的大小，彎曲程度的變化可以使用低功率雷射光反 射角來決定，請參考圖 3-3b。
圖 3-3b 原子力顯微鏡工作原理示意圖
利用了原子力顯微鏡進行掃瞄，我們可以量測到樣品表面的粗糙 度與表面高低起伏結果。圖 3-3c 的量測結果顯示出了樣品表面的粗 糙度為 8.1 nm(圖中的 Ra 值)。而圖 3-3d 的量測結果顯示出了樣品 的表面高低起伏，其 Groove depth 為 25 nm。
圖 3-3c AFM 之掃瞄結果圖一
圖 3-3d AFM 之掃瞄結果圖二 3-3-2 穿透式電子顯微鏡之量測原理與結果分析
穿透式電子顯微鏡(Transmission electron microscope)是利用
電子束來產生高解析度的影像，基本架構如圖 3-3e 所示，其基本原 理是利用電子源發射出來的電子被加速到 100~400 K eV，經由電磁透 境調製聚焦成大小約為幾微米的電子束，照射在厚度被研磨至數十到 數百奈米的試片上，除了少數電子會由試片的表面反彈後散失，大部 分的電子都能穿透試片，經物鏡與電磁透境的聚斂，在後方的螢幕或 底片上呈現電子與試片作用後所形成的影像。
圖 3-3e 穿透式電子顯微鏡工作原理示意圖
樣品的穿透式電子顯微鏡剖面量測結果如圖 3-3f 所示，圖中可 以清楚地看到布拉格反射鏡的 30 層結構，其中顏色較深的部分是氮 化鋁，而顏色較淺的部分為氮化鎵。由結果可以估計出氮化鎵與氮化 鋁的厚度，樣品中的氮化鎵厚度為 32 nm，氮化鋁的厚度為 66 nm。
電子源 電磁透鏡 試片放置處
光圈
電磁透鏡
螢幕或底片
圖 3-3f 樣品的穿透式電子顯微鏡剖面圖 3-3-3 反射率之量測原理與結果分析
測量反射率的機台可分為絕對反射率與相對反射率，所謂絕對反 射率是經過嚴格的設計後，可以同時偵測到初始的入射光強與經薄膜 後反射光強，藉由兩著的比例來此算出絕對的反射率值。然而ｎ&ｋ 薄膜測厚儀(ｎ&ｋ analyzer)是一種相對反射率的測量機台，如圖 3-3g 所示。利用光學折射與反射的原理，先量測一已知的矽材料校 正樣品，由於已知校正樣品的折射率與厚度，當偵測器收到經校正樣 品後的反射光強度，可以回推初始原入射光的強度值，再放入真正欲 測量的試片，偵測其反射光強後，除以之前經校正樣品推算出來的初 始光強度，算出試片的反射率。反射率的計算為：光由空氣中入射一 薄膜時，在介面處會有反射光與折射光，設薄膜的折射率實部為 n、
虛部為 k，可得反射率 2 2 析所測得的反射率頻譜，在此採用 Transfer matrix method 來模擬，
令氮化鎵與氮化鋁的折射率分別為 1.96 與 2.29，而氮化鎵的吸收係
Reflecting Aperture
Film Layer Substrate Objective
Beamsplitter
Mirror CCD
Blazed Grating
Mirror
Array Detector
Source
數在波長 440 nm 之下的值為 150 cm-1。由這個結果可推得到氮化鋁 的吸收係數約為 450 cm-1。
圖 3-3h 樣品反射率之圖形
3-3-4 實驗結果與討論
由以上的實驗結果，我們成功地使用機金屬化學氣相沉積機台，
在氮氣環境下，成長三十對的氮化鎵與氮化鋁材料之布拉格反射鏡，
其反射率高達 94.5%、中心波長位於 442 nm 且半高寬為 18 nm，表面 的粗糙度為 8.1 nm，Groove depth 為 25 nm，證明了我們擁有良好 的 AlN/GaN DBR 磊晶技術。
獲得了以上良好的結果後，才能再繼續進行面射型發光元件的研
300 350 400 450 500 0
20 40 60 80 100
Simulation Measurement
Reflectance (%)
Wavelength (nm)
究。在下一章-面射型發光元件的成長與分析，將先介紹本實驗中面 射型發光元件的結構設計，接著實驗上先經由瞭解元件中量子井的發 光波長與特性後，再調整 DBR 的高反射區域範圍以配合量子井的發光 波長，最後完成面射型發光元件的元件結構。