磊晶薄膜於冷卻過程之演變

在使用 in-situ RHEED 即時監控 ZnO 磊晶的過程中，其 RHEED 圖形除了隨著沉積量逐漸演變外，在降溫過程中，更是出現了令人意 外的變化；如圖 4-22 所示，不論電子束是從[0001]_ZnO還是

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_ZnO方 向觀察，儘管在製程溫度成長後，其 RHEED 圖形已呈現筆直的繞射 線條，但是當降溫到低於 300C 時，其繞射線條都會逐漸收縮，回到 繞射點狀的形貌。

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圖 4-22 ZnO 磊晶薄膜從 750C 冷卻至室溫過程觀察到之 RHEED 變 化。

考慮 ZnO 與藍寶石基板雙軸向間的熱膨脹錯配，藉由過去熱膨 脹係數的數據[4.25 – 4.27]，本研究將兩者間隨著降溫過程中的熱應變 描繪於圖 4-23。圖 4-23(a)為

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_ZnO方向與基板的熱膨脹錯配，圖 4-23(b)則為[0001]_ZnO與基板間的熱膨脹錯配，不論是圖 4-23(a)或(b)，

其數據皆是以 750C 之晶格為基準所計算，以評估降溫過程的晶格變 化。

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在

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_ZnO//

[ 1 2 10 ]

_sapphire方向上，ZnO 與基板間的熱應變曲線頗為相

近，若是取線性斜率計算其熱膨脹錯配度，此方向的熱膨脹錯配為 7%。然而，在[0001]ZnO//

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_sapphire的方向上，其兩者的熱膨脹錯配卻 高達-40.8%。由於 ZnO 與基板間存在這巨大的熱膨脹錯配性，其降 溫過程中，RHEED 圖形所產生的變化，或許與此有關。

圖 4-23 A 面 ZnO 磊晶與 R 面藍寶石，於 750C 降至室溫之(a)cZnO

與(b)//c_ZnO方向熱應變曲線。

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然而，由於本實驗除了 RHEED 外，無其他方式可以直接評估薄 膜從成長溫度降至室溫的變化，然而，若是的確與熱膨脹錯配所產生 的應力有關，或許降溫速率會對 ZnO 磊晶薄膜產生結晶性與表面形 貌的變化，藉由 Pascal Laser-MBE 所搭配的雷射加熱模組，本研究嘗 試改變降溫速率從 10C/min、30C/min、50C/min 至>100C/min(製 程結束直接關閉加熱系統)，評估降溫速率對磊晶薄膜有何影響。

結果發現，不管降溫速率為何，RHEED 皆於 200~300C 的溫度 區間發生變化，降溫速率的快慢並不會讓轉變的溫度有所改變，甚至 不論沉積溫度為 450C 或 750C，都不會影響到 RHEED 發生轉變的 溫度，似乎降溫過程發生的重構，與降溫速率並無直接關係。但是降 溫速率對結晶性的影響卻確實被觀察到。

其中，分別以 10 、30 、50C/min 冷卻速率所得之結果皆相近，

XRC//c 與 XRCc 大約為 0.480.3 與 0.70.5，表面形貌也都是呈 現 c 軸條紋形貌，但是當降溫速率>100C/min 時，除了 XRC 寬化為 0.6與 0.97外，表面形貌亦有著些許的差異。

圖 4-24(a)與(b)分別為 HT-ZnO 以 30C/min 以及>100C/min 速率 降溫之表面形貌，不論是何種降溫速率，非極性 ZnO 常見的 c 軸條

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紋還是清楚可見。然而，仔細觀察>100C/min 降溫的試片表面，其

存在著許多沿著

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_ZnO方向之細小條紋，圖 4-24(c)為針對圖 4-24(b) 之條紋區域之 3D 視角放大圖，可以更清楚看到這些條紋為沿著基面 的凹痕。

圖 4-24 ZnO 磊晶膜以(a)30C/min 以及(b)> 100C/min 降溫之表面形 貌，(c)為(b)之局部放大 3D 視角圖。

進一步針對這不同降溫速率的試片量測其低溫光激發光譜，其結 果如圖 4-25 所示，無論降溫速率為 30C/min 或者>100C/min 之試片，

其近帶隙 (near band edge)發光輻射機制皆為 D⁰X(3.35eV)與

eA⁰(3.31eV)所主導，然而，降溫速率卻對總強度，以及 D⁰X/eA⁰間的 相對強度有顯著影響。

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圖 4-25ZnO 磊晶膜以(a)30C/min 以及(b)> 100C/min 降溫之 PL 光 譜。

在圖 4-25(a)中，降溫速率 30C/min 之強度大約有 510⁵，且 D⁰X : eA⁰的強度比約為 2:1，然而，圖 4-25(b)中>100C/min 降溫之試片卻 僅有不到 410⁴的光輻射強度，且 D⁰X : eA⁰強度比衰減為 1:1。在過

去研究中已知道，eA⁰的為缺陷所造成的光復合機制[4-28 - 4-30]，另 一方面，缺陷的存在也將大大的降低其載子復合效率，因而導致發光 強度的低落[4.31]。儘管我們無法確實瞭解降溫速率提高時，缺陷的 生成行為，但是由光激發光譜以及 AFM 表面形貌的觀察中，我們確 實可以發現到降溫速率對表面形貌以及缺陷的生成有影響。

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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 132-138)