結果與討論

本論文欲研究的樣品是在氮化鋁鎵（ ）薄膜表層額外利 用原子層磊晶方法所成長的氮化鎵盤狀物（GaN disks）。本章將使用 原子力顯微鏡（AFM）來掃描樣品表面之形貌，並運用微拉曼光譜（μ -Raman）及微螢光光譜（μ-PL）的技術來研究氮化鎵的光學特性。

N Ga Al

_{x 1−x}

4-1 氮化鎵之表面形貌

圖 4-1-1 為氮化鎵盤狀物的樣品A透過高倍率光學顯微鏡所成 之影像，從圖發現樣品表面散佈著一顆顆圓形的盤狀物。為了更確定 樣品表面形貌，我們利用本實驗室之原子力顯微鏡（AFM）進行表面 形貌的掃描。圖 4-1-2 是AFM大範圍掃描（55μm X 55μm）的二維影 像，圖中不論何處皆充斥一顆顆白色的小圓點，相較於學長論文 [14-15] 研究的純氮化鋁鎵的樣品B，可判讀樣品表面是散佈著氮化鎵 的小六角椎結構（微米圓盤狀結構），密度約為 3 /μm² ，尺寸大小 和高度在 0.5 ~ 1.5 μm及 50 ~ 180 nm範圍之間；另外也可從微拉 曼系統的光學顯微鏡外接的螢幕判斷，盤狀物的尺寸約在 1 μm左 右。該盤狀物是利用原子層磊晶而成的氮化鎵結構，據AFM影像之觀 察，這些盤狀物是成長在不同類型六角丘狀（Hillock）之截斷面上。

從 AFM 二維俯視圖（圖 4-1-3 和圖 4-1-4），可見完整 Hillock

表面除了中心處之外並無明顯盤狀物之存在，不過微螢光光譜卻顯示 Hillock 表面各處皆存在氮化鎵之訊號，而且此訊號較非完整的 Hillock 處（平坦處,Pyramid-like Hillock）大的多，故推測氮化 鎵在 Hillock 表面是容易於沉積的，造成樣品中氮化鎵在 Hillock 表 層的成長應該已經薄膜化了。

就圖 4-1-3 和圖 4-1-4 所示，我們選定兩種不同類型之六角丘狀

（Mesa-like Hillock 及 Tent-like HillocK）進行 AFM 的掃描，由 擷取通過 Hillock 中心之 AFM 剖面圖，可發現 Hillock 是具有兩段式 的坡度。相較於氮化鋁鎵薄膜的樣品 B，由於 Hillock 表面多了氮化 鎵（GaN）的成長，由 AFM 的剖面分析，Hillick 的坡度似乎變陡了，

此外高度也變的高些，這些都再再佐證氮化鎵有沉積在 Hillock 之 上，這部分在學長的論文[14]亦有提及。由兩者的剖面圖看來，仔細 分析這些坡度的改變，可以發現靠近 Hillock 的中心，坡度的斜率又 有變化，相較於純粹氮化鋁鎵樣品的 Hillock 是兩階段斜率的丘狀結 構，這裡可推測 Hillock 中心多出來的斜率變化應該是氮化鎵在 Hillock 中心累積特別多所造成的，這現象是氮化鋁鎵樣品所沒有 的。從光學顯微鏡(OM)影像觀察，不同尺寸大小的完整 Hillocks 中 心處皆有一圓點狀結構，從 AFM 圖知道，氮化鎵會在 Hillock 中心形 成一尖錐狀結構，這個結構在 Hillock 中心處的高度約有 100nm 左

右。也因為氮化鎵在 Hillock 中心處累積特別多，故由光譜顯示該處 有最強的氮化鎵訊號。也從光學顯微鏡看到完整的 Hillock 中心存在 圓盤狀物結構。

總之，氮化鎵可成長在氮化鋁鎵薄膜表面所形成不同類型之六角 丘狀（Hillock）上，而由於氮化鎵在 Hillock 的斜坡面上已薄膜化，

故除了完整 Hillock 中心處的緩丘之外並不易見其它盤狀物結構；而 正因為 Hillock 正中心會累積特別多的氮化鎵，故我們從 AFM（原子 力顯微鏡）及 OM（光學顯微鏡）的影像皆可見 Hillock 中心處有所 謂的盤狀物結構。

1μm

圖 4-1-1 GaN disks 於高倍率光學顯微鏡之影像

圖 4-1-2 GaN disks 表面形貌之 AFM 影像

圖 4-1-3 GaN disk on Mesa-type Hollock 之 AFM 影像及剖面圖

圖 4-1-4 GaN disk on Tent-type Hollock 之 AFM 影像及剖面圖

4-2 氮化鎵和氮化鋁鎵薄膜微拉曼光譜之比較

這分別代表sapphire的 及 振動模態[28]，我們將以此來做光譜 的對應。圖中下面三光譜則是單就純粹氮化鋁鎵薄膜位於不同類型 Hillock之拉曼訊號，發現就不同區域而言， 及 模態皆 有明顯的不同。就拉曼 模態的部份，Mesa-like Hillock及 Tent- like Hillcok其峰值都是在 570 附近，相對於非完整六角 丘狀處(Pyramid-like Hillock)的 位置 574 有 4 的

748 附近都有一譜峰，對照sapphire基板的 模態，可以明顯辨 別此為sapphire所貢獻之拉曼訊號，而就不同區域的拉曼測量，當雷 射光斑打在非完整六角丘狀的區域(Pyramid-like Hillock)，較顯著 的訊號只出現在 748 附近，此譜峰的半高寬相較於sapphire 模態的半寬變化不大，不過利用Peakfit軟體作趨勢逼近，可發覺一 微弱的訊號在 772 附近，這可能是Pyramid- like Hillock所貢 獻的拉曼 訊號；而就Mesa-like及Tent-like兩種類型的六角丘 Pyramid-like Hillock、Mesa-like Hillock 和 Tent-like Hillock 處上方的氮化鎵盤狀物有著不同的光譜表現。從圖 4-2-2 在 Pyramid -like Hillock 處之拉曼光譜，我們可以分辨有長氮化鎵結構於氮化 鋁鎵薄膜上所得到的拉曼光譜是不同於純粹氮化鋁鎵的。就光譜的 模態來看，此類型(Pyramid -like Hillocks)上有著氮化鎵

)

(high

E

₂

結構的譜峰位置於 570 附近，相較於純粹氮化鋁鎵是在 574 附近是不同的，而就 模態來分析，可以發現在 734 附近出 現一新譜峰，這是純粹氮化鋁鎵薄膜所沒有觀察到的，而由文獻[23]

得知是屬於氮化鎵的 模態；換句話說，這是因為鋪有氮化鎵奈 米結構所貢獻之氮化鎵訊號。同理，圖 4-2-3 和圖 4-2-4 是分別就 Mesa -like Hillock 及 Tent-like Hillock 兩種類型六角丘狀中心 處進行量測，經由和樣品 B（純粹氮化鋁鎵薄膜）的比較後，鋪有氮

(a) Pyramid-like Hillock (b) Mesa-like Hillock (c) Tent-like Hillock

400 450 500 550 600 700 750 800

圖 4-2-1 AlGaN（樣品 B）在不同類型六角丘狀處之拉曼光譜

772.1

AlGaN 10 μ m Tent-like Hillock AlGaN 4 μ m Mesa-like Hillock AlGaN Pyramid-like Hillock A

1

(LO)

E

2

(high)

569.6

570.3

768.4

767.8

Sapphire 418

A

1g

748 E

g

573.7

Intensity ( a.u. )

Raman shift ( cm

^-1

)

(a) GaN disk on Pyramid- (b) AlGaN Pyramid-like like AlGaN Hillock Hillock

400 450 500 550 600 700 750 800

Sample B

GaN disk on

Pyramid-like Hillock

(a) GaN disk on Mesa-like (b) AlGaN Mesa-like AlGaN Hillock Hillock

400 450 500 550 600 700 750 800

Sample A

GaN disk on

Mesa-like Hillock center

Sapphire

(a) GaN disk on Tent-like (b) AlGaN Tent-like AlGaN Hillock Hillock

400 450 500 550 600 700 750 800

Sample A

GaN disk on

Tent-like Hillock center

Sapphire

M

圖 4-2-5 不同類型 Hllock 拉曼光譜之比較（Sample A vs.B）

Pyramid- esa-

Tent-567

4-3 氮化鎵在不同類型 Hillock 之微拉曼及微螢光光譜

從本實驗室陳蔚宗學長的論文[14]中有關於針對表面有成長氮 化鎵盤狀物的樣品進行μ-PL 量測的討論中發現，不論雷射光斑打在 不同尺寸大小六角丘狀(Hillock)結構中心或是較平坦的區域（平坦 處，Pyramid-like Hillock），皆可以在波長 365 nm 附近發現有關氮 化鎵的訊號。就這些微螢光光譜發現平坦處所表現氮化鎵之譜峰 大小為 10 μm 類似帳篷狀之六角丘狀（Tent-like Hillock）的中心 處、4 μm 平頂六角丘狀（Mesa-like Hillock）的中心處以及高度 相較於完整六角丘狀為低的平坦處（Pyramid-like Hillock），這三

應力的變化。

位移量。所以不論從 模態或 模態看來，由於氮化鎵在 Tent- like Hillock 得到較低頻的拉曼訊號，故表示氮化鎵盤狀物 在 Tent -like Hillock 中心處相較在 Mesa-like Hillock 中心處是 承受較小的壓應力（Compressive strain）。

)

2

( high

E A

₁

( LO )

另外就平坦處（Pyramid-like Hillock）和兩種不同類型的完整 六角丘狀（Mesa-like Hillock 及 Tent-like Hillock）拉曼光譜的 比較，明顯看出完整 Hillock 外部的平坦處（Pyramid-like Hillock）

的奈米點受到較大的壓應力。

從陳蔚宗學長的論文[14]中得知不同尺寸大小六角丘（Hillock）

的激發能量（ ）對應不同的鋁組成，我們可以推測，是否是底下氮 化鋁鎵的鋁組成的變異，影響了氮化鎵（GaN）拉曼訊號的位移。為 了確定鋁組成我們也作了微螢光光譜。利用定位的技巧，讓我們在進 行微拉曼及微螢光光譜實驗時，可對樣品上同一地方作量測，也因為 如此，兩光譜的結果可相互對照。

I

H

為了解此樣品各類的訊號，我們進行微螢光光譜的量測，圖 4-3-3 可以看到，在 PL 光譜中譜峰位置位於 343~353 nm 代表氮化鎵底部氮 化鋁鎵所貢獻的訊號；而另一譜峰位於 365 nm 附近則為氮化鎵的貢 獻。相較於純粹氮化鋁鎵薄膜的樣品 B，就微螢光光譜的分析，我們 可以明顯的看出差異，那就是多出氮化鎵的峰值。上一小節已由拉曼

光譜得知氮化鎵的訊號，這裡也使用微螢光光譜驗證之。

為了探究氮化鋁鎵鋁組成的不同跟氮化鎵譜峰位移的關係，我們 在此針對相同的 4 μm Mesa-like Hillolck 及 10 μm Tent-like Hillolck 中心處進行微螢光光譜的量測，發現 4μm 大小的 Hillock 激發波長為 352.3 nm（3.52 eV），利用論文[31]提到的經驗公式可換 算成鋁組成為 4.6 %；而 10μm Hillock 的波長則為 352.9 nm（3.51 eV），換算成鋁組成是 4.2 %。在此鋁組成的差異只有不到 1 %，光譜 結果表示氮化鎵盤狀物之下的氮化鋁鎵鋁組成相差不大，故不全然是 鋁組成的變化所主導這兩類完整 Hillock 其上氮化鎵拉曼譜峰之位 移。不過就平坦處的譜峰 為 344 nm（3.60 eV），該處鋁組成為 10.0

%左右，相較於完整 Hillock 的鋁組成至少差異 5 %，所以這裡不能 完全排除鋁組成對氮化鎵拉曼譜峰位移之影響。

I

nbe

(a) GaN disk on Pyrrmid- (b) GaN disk on Mesa-like (c) GaN disk on Tent-like like AlGaN Hillock AlGaN Hillock AlGaN Hillock

400 450 500 550 600 700 750 800

GaN disk on Pyramid-like Hillock

GaN disk on Mesa-like Hillock GaN disk on Tent-like Hillock AlGaN Pyramid-like Hillock Sapphire 748

E

g

418 A

1g

GaN A

₁

(LO) GaN E

₂

(h)

In tensity ( a.u. )

Raman shift ( cm

^-1

)

圖 4-3-1 GaN disk(樣品 A)在不同類型六角丘狀之拉曼光譜

M

圖 4-3-2 在不同類型六角丘狀之微拉曼光譜

Pyramid- esa-

Tent-567 568 569 570 571 572 731 732 733 734 735 736

Raman shift ( cm

-1

)

different-type Hillocks

A

1

(LO)

E

₂

(high)

330 340 350 360 370 380 390 400

Wavelength ( nm )

μ - P L Intensity ( a.u. )

GaN disk on 4

μ

m Mesa-like Hillock

圖 4-3-3 GaN disk(樣品 A)在不同類型六角丘狀之螢光光譜

Pyramid- Mesa-

Tent-3.38

4-4 氮化鎵在不同位置之微拉曼及微螢光光譜

以 模態來討論氮化鎵的光譜特性，而 模態就當作參 生長的氮化鎵結構有較佳的光學品質（quality)，造成 Hillock 中心 處有著最強的氮化鎵訊號。這裡傾向由前者的推測做解釋，因為我們

微螢光光譜由於可量測出氮化鎵所貢獻之譜峰 ，由此峰值（ ）

（sample B）上的 Hillock 也是隨不同空間位置受到不一的應力，再 回到本節剛開始所提到的拉曼光譜針對六角丘狀不同空間的結果，我

了氮化鎵所受的應力變化是和底下氮化鋁鎵所受之應力是有關聯的。

另外我們也從不同空間之微螢光光譜去探討氮化鎵的表現，圖 4-4-8 和 4-4-9 是分別將氮化鎵在微螢光光譜中表現之譜峰（ ） 的激發能量及強度在不同位置的變化整理出來。從圖 4-4-8 亦可由μ -PL 驗證出氮化鎵隨著不同空間位置的確是受到大小不一的應力，圖 中可看出是一類似 W 之趨勢，這個趨勢跟上述所量測之微拉曼光譜有 著相同的走勢，故μ-PL 和μ-Raman 的結果是相互對應的。也就是說 就平坦處和 Hillock 來看，Hillock 外圍的平坦處是受較大的壓縮應 力，而此應力隨著量測光點進入 Hillock 內部有減小之趨勢，但是當 距焦光點靠近 Hillock 中心時，光譜顯示壓應力又突然增大。此處可 見微螢光光譜和上述的微拉曼光譜都可解釋 Hillock 內外受不同程 度壓縮應力的作用，兩光譜對不同空間位置大致上是互相對應的。

I

GaN

最後我們從圖 4-4-9 可以發現和微拉曼光譜一樣的現象，那就是

最後我們從圖 4-4-9 可以發現和微拉曼光譜一樣的現象，那就是

在文檔中 氮化鋁鎵薄膜表面氮化鎵圓盤層之微拉曼及微螢光研究 (頁 42-89)