第三章 實驗原理與架設
3.3 雷射剝離技術
子雷射(Excimer Laser)，例如 KrF、ArF、KrCl 等，易激發出高功率的 紫外光。另一種是 Nd：YAG 雷射，其波長在 1064nm，利用倍頻技術 可將頻率做整數倍轉換，將原本的發光波段轉換成 355 nm 的紫外光。
高能量的雷射光穿透過藍寶石基板遇到氮化鎵材料，氮化鎵吸收光 能量後產生快速的熱分解，使得界面的氮化鎵分解為鎵金屬以及氮氣，
進而成功地將藍寶石基板從樣品上剝離。其化學式為：
2
1 GaN Ga 2N
(3-1) 經雷射分解後，殘留在氮化鎵薄膜上的鎵金屬則以稀釋的鹽酸溶液 (HCl：H2O=1：1)去除。其中【圖 3-7(a)】為雷射剝離技術的示意圖；
而雷射剝離後，在光學顯微鏡(Optical Microscopy, OM)下觀測殘留量子 井薄膜的影像，薄膜區塊約可達 1mm2的大小，如【圖 3-7(b)】。
【圖 3-7】(a)雷射剝離(Laser lift-off)技術示意圖 (b)雷射剝離後，光學顯微鏡下的影像
雷射剝離基板技術成功的關鍵與樣品選用的接著劑有關。在此我們 選用的接著劑有快乾膠或UV膠。由光學顯微鏡觀測殘留量子井薄膜的 影像可發現，使用快乾膠黏著的樣品經由雷射剝離後，殘留下來的量 子井薄膜區域較少，如【圖3-8】。且在去除殘留的鎵金屬的過程中，發
現快乾膠表面出現許多被鹽酸溶液蝕刻的小孔洞，如【圖3-9】。推論是 因為快乾膠相對於UV膠，較無法承受高能量雷射的轟擊以及鹽酸溶液 的侵蝕。
【圖 3-8】使用不同接著劑下，雷射剝離後的 OM 影像 (a) Super-glue (b) UV glue
【圖 3-9】使用不同接著劑下，浸泡鹽酸後的 OM 影像 (a) Super-glue (b) UV glue
此外，我們亦觀察到在雷射剝離基板製程時因應而生的巨大熱應力 和壓應力，讓薄膜轉移的均勻性和完整度受到很大的考驗。如【圖 3-10】，
樣品左右半邊的完整度有很大的差異。推論是因為樣品黏貼的平整度 不同，造成接合較差的部分產生嚴重碎裂。
【圖 3-10】樣品黏貼不平整的 OM 影像
因此雷射剝離技術成功的重點在於加強接合界面的強度，於是本研 究將使用金屬接合（Metal Bonding）的技術，希望能透過此技術，成 功的將氮化鎵薄膜均勻而完整的轉移 PMN-PT 上。
3.4 晶圓接合技術
目前晶圓接合（Wafer Bonding）的技術發展主要應用於垂直型發光 二極體。其中金屬接合是指透過在兩晶圓表面附上較低熔點的金屬材 料，藉由外加的溫度使接合介面的金屬熔融，黏著形成一體，並外加 壓力以達到所需之接合強度，【圖 3-11】為晶片壓合的示意圖。目前國 內外已有許多研究報告指出晶圓接合對於 LED 亮度提升及散熱改善會 有很大幫助[16]，國內外亦已陸續有多家廠商及研究機構投入相關技術 開發。
【圖 3-11】晶片壓合的示意圖
接合使用的金屬材料，我們選用硬度低且延展性高的金(Au)，但由 於金在樣品表面的附著度較差，故先鍍上鈦(Ti)、鉻(Cr)或鉑(Pt)等金屬，
以增加金的附著。分別在量子井樣品及壓電材料 PMN-PT 上鍍上選用 的金屬後，我們嘗試了各種不同的壓合重量與溫度條件。
由測試的結果可知，過高的溫度將造成金屬溢流出接面，黏著在承 載的載具上，導致樣品在取出時破裂。而壓力決定接面的鍵結強度，
但由於我們使用的樣品面積較小(5mm × 5mm)，再加上 PMN-PT 十分 易碎裂，故選擇較小的壓合重量。因機台壓力設定有其極限，最後我 們選用外加 300℃和 1500kgw 的重量進行壓合。【圖 3-12】為 PMN-PT 壓合後的 OM 圖，由圖可發現此壓合條件下，PMN-PT 依然產生部分 裂痕。
【圖 3-12】PMN-PT 壓合後的 OM 影像
完成金屬接合後，再利用雷射剝離技術移除藍寶石基板。由光學顯 微鏡下觀測的影像，發現利用金屬接合技術黏著的樣品，其薄膜的完 整度有很大的提升，如【圖 3-13】。
【圖 3-13】雷射剝離基板後，金屬接合樣品的 OM 影像
由 OM 圖以及後續測試結果發現，雖金屬接合對薄膜的完整度有很 大的提升，但接合界面的縫隙、空孔非常多，造成應力在 PMNPT 向上 傳遞於樣品的過程中產生損失。因為瞬間變形作用的接合效果其實並 不好，若要提高接合效果，則必須透過增加接合時間，以增加界面擴 散效應，使接合強度提升。由於金屬接合技術的改善並未成功，因此 本論文並未對金屬接合製成的樣品做後續討論。
3.5 拉曼光譜量測系統
波濾光片(Notch filter)濾除靠近雷射光的波段，並透過電荷耦合元件 (CCD)偵測其訊號。
【圖 3-14】拉曼散射量測系統實驗裝置
3.6 顯微光激螢光量測系統
本論文是使用顯微光激發螢光光譜量測系統，來量測量子井的譜線。
系統架設如【圖 3-15】。由於氮化鎵的能隙約為 3.51eV，所以我們選擇 了波長為 325nm 的氦鎘雷射(He-Cd Laser)，來當作實驗的激發光源。
藉由帶通濾波片(Band-pass filter)、15cm 的焦距透鏡和 100 倍物鏡，
將雷射聚焦於樣品表面。位在價電帶的電子吸收了光子能量，而躍遷
在實驗前必須先對元件施加電壓，將壓電材料 PMN-PT 給極化。
使用電源供應器(Power supply)，把 PMN-PT 的上端當作接地端，在下 端輸入正電壓，如此一來將產生向上的電場，也成為了極化方向。爾 後就將正電壓當作順向偏壓，負電壓當作逆向偏壓。
【圖 3-15】顯微光激螢光量測系統實驗裝置
第四章 光譜分析與討論
constant)。
【圖 4-1】氮化鎵受應力調變下的拉曼譜圖
透過拉曼散射光譜的觀察，我們發現的確可利用 PMN-PT 成功將
000
0.94 的壓應變傳遞至氮化銦鎵/氮化鎵量子井中。而為了探討應變所
產生的內建壓電場的影響，下面將透過微光激螢光光譜，針對發光譜 峰與外加應力的關係進行更進一步的分析與探討。
4.2 量子井顯微光激螢光光譜
【圖 4-2】為室溫下，量子井在未轉移至 PMN-PT 上的微光激螢光 光譜。圖中除了位於 3.4 及 2.52eV 的氮化鎵及氮化銦鎵訊號外，更可 以觀察到位於 3.26eV 由氮化鋁鎵/氮化鎵所貢獻的超晶格訊號。為了 探討量子井能帶結構與內建電場隨應力的改變，在接下來的實驗結果 中，將以觀察氮化鎵及氮化銦鎵螢光訊號為主。
【圖 4-2】量子井顯微光激螢光光譜圖
【圖 4-3 (a)】為氮化銦鎵/氮化鎵量子井轉移至 PMN-PT 後，氮化 鎵螢光訊號隨外加電壓的變化情況。透過觀察發現在外加0.94 000的壓 應變下，其發光能量藍移約 6 meV，如【圖 4-3 (b)】。在一般 c 軸排向 的異質結構中，能帶主要會受到兩個因素所影響—應變造成的能隙改 變量及應變所產生的壓電場 (QCSE)。由於在氮化鎵中，外加壓應變所 產生的內建壓電場可忽略，因此實驗中所觀察到的藍移量歸因於壓應 變造成能隙增加的結果。
【圖 4-3】氮化鎵隨應力調變之顯微光激螢光光譜圖
在了解氮化鎵螢光訊號隨外加壓應變的變化情況後，我們亦針對氮 化銦鎵螢光光譜隨外加應變的位移情況進行分析。如【圖 4-4(a)】所示，
氮化銦鎵的螢光光譜隨外加電壓的增加，而呈現一紅移狀態。透過分 析，當外加0.94 000的壓應變時其紅移量約 8.7 meV，如【圖 4-4(b)】。 然而此現象與氮化鎵的結果呈現一相反趨勢，因而證明在氮化銦鎵中，
能帶被上述另一項因素(應變所導致的壓電場)所主導。
【圖 4-4】氮化銦鎵隨應力調變之顯微光激螢光光譜圖
為了進一步探討量子井中內建電場的影響，如何得知壓電場所導致 constant of the valence band)，各形變位能選用之參數列於【表 4-1】，其 中氮化銦鎵形變位能參數依銦含量由線性內插求得。
壓應變下卻紅移了 8.8 meV。因此可知氮化銦鎵螢光光譜的變化為能隙 與壓電場改變量互相補償的合成結果，且外加應力對於壓電場的效應 大於能隙的變化量[4]，即應力所造成壓電場應導致能量紅移約 24 meV，
如【圖 4-5】所示。
【圖 4-5】氮化銦鎵隨應力調變之螢光光譜與能帶間隙變化圖
4.3 壓電場對能帶影響之計算
及壓電性極化(Piezoelectric polarization)分別為 0.004 及 0.017 C/m2。由 於總極化效應是自發極化和壓電極化的總和，故整體的極化場效應為 其中 ϵ為介電係數(Permittivity)。透過前面的拉曼光譜，得知在外加 500V 的偏壓下，PMN-PT 產生的應
變大約有0.94 000。此外加應變量將會導致壓電性極化產生 0.001 C/m2
的變化量，對應約 105 kV/cm 的電場變化量。【圖 4-6】為極化電場隨 PMN-PT 外加應變的變化。
【圖 4-6】極化電場與外加應變的關係
在了解外加應變與極化電場的關係後，我們將透過 Airy 函數來計 算量子井中波函數的分布及基態能量。計算中，我們將導電帶和價電 帶中能帶不連續的差值(Band offset)設為 2:1 [19]，並使用郭浩中老師實 驗團隊提供的磊晶參數，將銦含量設為 0.15 及量子井寬度設為 5 nm。
計算結果如【圖 4-7】所示，能帶嚴重傾斜，導致電子與電洞分別 侷限在量子井的兩側，除了降低電子與電洞波函數在空間上的重疊率 外，更使得基態複合能量隨電場的增加而減少。
其中 Fpol 是尚未外加應力時量子井產生的極化電場，其值為 2.16 MV/cm。在此電場下我們發現基態躍遷能量(Transition energy)為 2.34 eV。由計算結果可知外加0.94000的壓應變下，壓電場應導致能量紅移 42.6 meV。
【圖 4-7】波函數在量子井結構中的分布情形
【圖 4-8】實驗和理論計算之對應
由於理論計算值和實驗值不相符合，推論也許是樣品結構的實際參 數產生部分改變。但因為單量子井的氮化銦鎵薄膜厚度過薄，無法透 過 X 射線繞射分析( X-Ray diffraction, XRD)偵測到繞射峰，因此接下來 我們將考慮各種參數可能造成的變異。
4.4 參數變異之分析
【圖 4-9】銦含量減少的理論計算
4.4.2 不同量子井寬度的理論計算
高溫成長下除了會使銦原子不易融入，而造成銦含量的減少外，銦 化物的解離亦導致氮化銦鎵薄膜的厚度減少。因此接下來將針對不同 量子井的寬度進行理論計算。
【圖 4-10】及【表 4-2】為固定銦含量為 0.15，在不同量子井寬度 的計算結果。由【表 4-2】可知，當量子井變窄，其理論計算得到的基 態躍遷能量以及壓電場造成能量的紅移量，皆大幅接近實驗值。
【圖 4-10】不同量子井寬度的理論計算
【表 4-2】不同量子井寬度的理論計算
Well width 5 nm 4.5 nm 4 nm
energy shift (meV) -42.5 -37.2 -31.8 transition energy (eV) 2.34 2.45 2.56
與改變銦含量相比，改變寬度將造成量子井在光學特性上產生較大
與改變銦含量相比，改變寬度將造成量子井在光學特性上產生較大