Chapter 4 實驗結果與討論
4.2 沉積時之基板溫度對氧化鋅電洞阻障層之影響
因為在 4.1 節的實驗中我們發現，氧化鋅電洞阻障層的粗糙度越 高，暗電流越低，失效電場越高，為了進一步確認粗糙度所帶來的電 場集中效應對暗電流以及失效電場的影響，我們於本節改變濺鍍氧化 鋅電洞阻障層時的基板溫度。除此之外，我們也分析基板溫度對於氧 化鋅電洞阻障層其餘微結構以及缺陷性質的影響，並進一步歸納這些 材料性質對 HARP 元件整體電性表現的影響。在本節的實驗中分別 以氧通量 5 sccm 與氧通量 20 sccm 來改變不同基板溫度去沉積電洞阻 障層，其餘電洞阻障層濺鍍參數請詳見表 3-2 與表 3-3。
4.2.1
場發射掃描式電子顯微鏡分析
圖 4-26 是放大倍率 100k 的 SEM 分析，從中我們得知，提高基 板溫度至 100°C 與 250°C 來濺鍍沉積氧化鋅，與基板溫度維持在室溫 時的濺鍍過程相比，裸露在最表面區域可辨認的晶粒大小分布(size distribution)變集中了。除此之外，隨著濺鍍時基板溫度的提升，裸露 出來並且能夠由 SEM 圖辨認的晶粒大小只有些許變大的情形，形狀 上的改變則是由不規則形狀轉變為較趨近於圓弧形。至於氧化鋅電洞 阻障層內部實際上的晶粒大小須由 4.2.2 節低掠角 X 光繞射分析來推 論。
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圖 4-26 不同基板溫度所沉積之氧化鋅電洞阻障層 SEM 分析：(a)、
(c)與(e)分別是以氧通量 5 sccm 基板溫度 25 °C、100 °與 C 250 °C 所 沉積；(b)、(d)與(f)分別是以氧通量 20 sccm 基板溫度 25 °C、100 °與 C 250 °C 所沉積。
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4.2.2
低掠角 X 光繞射分析
內應變力以及(0002)平面的 d-spacing 上沒有太大的差異。唯一可觀察 到的差異是(0002)繞射峰的強度，其強度隨著濺鍍時基板溫度的提升
但是因為其他非(0002)的平面所產生的繞射峰訊號強度與雜訊比起 來不夠強，因此那些平面的結晶性值隨基板溫度提升的變化我們無從 得知，所以並無法確認我們的氧化鋅電洞阻障層隨著濺鍍時基板溫度 的提升，c 軸成長的優選性是不是真的有跟著提升。
20 25 30 35 40 45 50
5 sccm-25 °C 5 sccm-100 °C 5 sccm-250 °C
Relative Intensity (a. u.)
2 Theta (degree)
圖 4-27 以氧通量 5 sccm 改變不同基板溫度來沉積之氧化鋅電洞阻 障層低掠角 XRD 分析。
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20 25 30 35 40 45 50 20 sccm-250 °C
20 sccm-100 °C
20 sccm-25 °C
Relative Intensity (a. u.)
2 Theta (degree)
圖 4-28 以氧通量 20 sccm 改變不同基板溫度來沉積之氧化鋅電洞阻 障層低掠角 XRD 分析。
4.2.3
光致螢光激發光譜分析
由量子局限效應(quantum confinment)可知半導體的躍遷能量 (transition energy)與晶粒尺寸有關[39]，躍遷能量隨晶粒尺寸的變大而 減少。但是如圖 4-29 與圖 4-30 所示，以氧通量 5 sccm 與氧通量 20 sccm 提升基板溫度來濺鍍沉積氧化鋅，從 PL 光譜中並沒有發現很明 顯的波峰紅移的現象，故我們可以從 PL 分析結果進一步確認在 4.2.2 小節 XRD 的分析結果，提升基板溫度為 100。C 與 250°C，在晶粒大 小與結晶度上面並無法因此而有很大的改變。
由圖 4-31 我們可以得知，不論是以氧通量 5 sccm 還是氧通量 20 sccm 來提升基板溫度沉積氧化鋅電洞阻障層，綠光與紫外光強度的 比值都會變小，顯示出能夠貢獻綠光的缺陷濃度會隨著基板溫度的提 高而降低。推測是因為提升了薄膜成長時的溫度至 100°C 與 250°C，
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能夠藉由促進薄膜成長過程中的 surface diffusion，來移除薄膜內部的 缺陷，所以導致與氧空缺有關的缺陷濃度也跟著降低了[36] [82]。
300 400 500 600 700 800
Intensity (arb. units)
Wavelength (nm)
5 sccm-25 °C 5 sccm-100 °C 5 sccm-250 °C
圖 4-29 以氧通量 5 sccm 改變不同基板溫度所沉積之氧化鋅電洞阻 障層之 PL 光譜。
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300 400 500 600 700 800
Intensity (arb. units)
Wavelength (nm)
20 sccm-25 °C 20 sccm-100 °C 20 sccm-250 °C
圖 4-30 以氧通量 20 sccm 改變不同基板溫度所沉積之氧化鋅電洞阻 障層之 PL 光譜。
0 50 100 150 200 250
0.890 0.895 0.900 0.905 0.910 0.915 0.920
0.925 5 sccm
20 sccm
Ratio
substrate temperature (°C)
圖 4-31 以不同基板溫度濺鍍之氧化鋅電洞阻障層的綠光對紫外光之 比值(方形符號：氧通量 5 sccm；圓形符號：20 sccm)。
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4.2.4
原子力顯微鏡分析
由圖 4-33 與圖 4-34 我們可以得知，不論是以氧通量 5 sccm 還 是以氧通量 20 sccm 來提升基板溫度到 250 °C 沉積氧化鋅電洞阻障層，
都會使得粗糙度 Rq與 Rmax降低。我們推測，提升基板溫度，能使得 濺鍍過程中到達基板的物質有足夠的動能發生 surface diffusion，所以 能夠降低表面粗糙度[46]。然而，可能是因為此溫度低於鋅的熔點以 及氧化鋅的熔點非常多，根據 Thornton 所提出的薄膜成長模型(請參 考 2.4 節)，此溫度所提供的熱能僅能促進成長中的薄膜的 surface diffusion，並不足以讓成長中的薄膜發生強烈的 bulk diffusion，所以 只能使得氧化鋅電洞阻障層的粗糙度下降，並無法使氧化鋅電洞阻障 層的結晶度有很大的提升，所以在 4.2.2 小節低掠角 X 光繞射分析當 中並沒有觀察到結晶度有隨著基板溫度的上升而變好。
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圖 4-32 不同基板溫度沉積之氧化鋅 3D AFM 表面形貌分析(面積大 小：100 nm × 100 nm)：(a)、(c)與(e)為以氧通量 5 sccm 沉積，基板 溫度分別為 25 °C、100°C、250°C；(b)、(d)與(f)為以氧通量 20 sccm 沉積，基板溫度分別為 25 °C、100°C、250°C。
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0 50 100 150 200 250
substrate temperature (°C)
5 sccm
substrate temperature (°C)
5 sccm 20 sccm
圖 4-34 氧通量 5 sccm(方形符號)與氧通量 20 sccm(圓形符號)改變不 同基板溫度之 Rmax粗糙度變化情形。
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4.2.5
光電特性量測
0 50 100 150 200 250 300
Electric Field (V/μm) 5 sccm-25 °C
0 50 100 150 200 250 300
5 sccm-100 °C
Current (A)
Electric Field (V/μm) Dark 5 sccm-100 °C
Ratio
圖 4-38 以氧通量 5 sccm 基板溫度 100 °C 沉積之電洞阻障層之 HARP 元件 I-V 圖。
96
0 50 100 150 200 250 300
5 sccm-250 °C
Current (A)
5 sccm-250 °C
Electric Field (V/μm) Dark
0 50 100 150 200 250 300
20 sccm-25 °C
Current (A)
Electric Field (V/μm) Dark
20 sccm-25 °C
圖 4-42 以氧通量 20 sccm 基板溫度 25 °C 沉積之電洞阻障層之 HARP 元件 I-V 圖。
98
0 50 100 150 200 250 300
20 sccm-100 °C
Current (A)
Electric Field (V/μm) Dark
20 sccm-100 °C
圖 4-44 以氧通量 20 sccm 基板溫度 100 °C 沉積之電洞阻障層之 HARP 元件 I-V 圖。
99
0 50 100 150 200 250 300
20 sccm-250 °C
Current (A)
Electric Field (V/μm) Dark
0 10 20 30 40 50
Dark Current (A)
Electric Field (V/μm) 5 sccm-25 °C
Dark Current (A)
Electric Field (V/μm) 20 sccm-25 °C
表 4-2 以氧通量 5 sccm 改變不同基板溫度沉積之電洞阻障層 HARP 元件失效電場比較。
substrate temperature (°C) 25 100 250
breakdown field (V/µm) 43.62 36.91 33.55
表 4-3 以氧通量 20 sccm 改變不同基板溫度沉積之電洞阻障層 HARP 元件失效電場比較。
substrate temperature (°C) 25 100 250
breakdown field (V/µm) 57.29 52.08 52.08
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