1.1 前言
發光二極體(Light Emitting Diodes，LED)的問世是節能技術的一大進 步，因為發光二極體可以有效的將電能轉換為光，進而達到省電的功效。
相對於傳統白熾燈與日光燈來說，在同樣照明效果下，發光二極體耗電量 是白熾燈的八分之一、日光燈的二分之一。而且其元件的驅動電壓低、反 應速率快、體積小、穩定性強，再加上能提供足夠的亮度與使用壽命等特 性，可應用的範圍相當的多元化，故投入發光二極體的發展與研究越來越 多。
週期表中的Ⅲ-Ⅴ族化合物，是近年來半導體材料中做為光源、光偵測 材料的主流，在光電產業的需求已廣泛受到學術界與產業界的重視。而其 中的氮化鎵(Gallium Nitride)化合物由於在材料特性上適合於製作藍光發光 二極體(Blue Light Emitting Diode)與藍光雷射二極體(Blue Laser Diode)等元 件，現已成為當今最熱門的研究材料之一。
本研究選用的氮化鎵材料是一種人工合成的化合物，其相關研究可追 溯至西元 1940 年代，但自從 1998 年 Nakamura[1]宣布做成波長 400 nm、強 度 2 mW 之氮化鎵藍紫光雷射二極體，並且可以在室溫下連續操作 1 萬小 時以後，不論是學術界還是產業界都開始積極研究藍光雷射二極體之發展。
1.2 研究動機
由於近年來發光二極體科技的迅速發展，使得 III-V 族半導體化合物受 到學術界與產業界的重視，其中以在藍寶石基材上成長之氮化鎵磊晶層最 被廣泛應用。藍寶石基材為六方最密堆積(Hexagonal)的晶格結構，目前產 業界以 C 軸作為主要元件化的成長方向[2]，因為以此軸向成長可以大量生 產並且製作出高品質之氮化鎵磊晶層。而在發光二極體元件的製備、封裝 與運送過程中，難免會受到潛變效應與輕微衝擊應力之影響，這些微小的 應力作用往往會造成元件光電轉換效能的降低。根據學者的研究指出，潛 變效應會對磊晶層內部產生大量的差排以及塑性變形，進一步造成氮化鎵 在物理特性的變化[3-4]；衝擊應力則會因壓痕速率的快慢而影響內部原子的 能量傳遞，造成不同的差排形成機制[5-6]。因此本論文主要探討在 C 軸氮化 鎵磊晶層之潛變性質與負載速率效應，對於磊晶層彈塑性變形與激發光譜 之影響。
本論文之動機如下所述：
1. 在發光二極體元件的製備與封裝過程中，元件可能會受到持續的應力作 用以及輕微的碰撞。因此本研究運用奈米壓痕量測系統，探討氮化鎵磊 晶薄膜在持壓與壓痕速率效應下之破壞情形。
2. 根據持壓與壓痕速率效應的相關文獻指出[7-8]，材料在受到壓痕負載破壞 後，會產生相異的差排形成機制與機械特性變化。
3. 對光二極體元件而言，內部差排的產生會直接影響元件的光電轉換效能
[9]。因此本研究藉由陰極螢光系統分析氮化鎵磊晶薄膜受不同破壞模式 下之激發光譜，探討微觀力學所造成的差排增生行為對陰極螢光特性之 影響。
4. 得知磊晶薄膜在壓縮應力破壞後之彈塑性變形機制與機械特性變化，將 有助於在封裝或在製程中避免造成內部差排的產生，提升氮化鎵在半導 體發光元件之光電轉換效能。
1.3 論文架構
第一章 緒論：介紹半導體材料的發展與應用範圍，並說明本研究的實驗動 機。
第二章 基本理論與文獻探討：介紹相關的半導體材料特性、氮化鎵磊晶薄 膜的製備方法、基板種類的選擇與影響、另外介紹奈米壓痕量測與 陰極螢光之相關文獻探討。
第三章 實驗方法與設備：對本研究所使用的設備作一簡單介紹並說明實驗 的規畫流程。
第四章 實驗結果與討論：利用奈米壓痕系統量測氮化鎵磊晶薄膜之機械特
性變化，並且搭配原子力顯微鏡與陰極螢光系統做更進一步的分 析。
第五章 結論：將本文所得到的結果做一總結。
第六章 後續研究工作：探討本論文可改進之地方與未來方向。