緒論

第一章、 緒論

氧化鋅(ZnO)於電學[1.1]、光學[1.2]領域的相關研究，可追溯自 1920 年代，然而，直至近十年，因為固態光源、透明導電、透明電 晶體研究的興起，ZnO 於半導體領域的相關研究才又開始受到重視 [1.3]。

ZnO 為 II-VI 族纖鋅礦半導體(wurtzite semiconductor)，具有

~3.374eV 的寬直接能隙，藉由摻雜 In、Ga、Al、B 等元素，可維持 著可見光透明透明的特性下，有效控制其電性；其電阻率可降低到 210^-4 -cm，並具有高達~100cm²/Vs 之載子遷移率[1.4, 1.5]，這些原 因使 ZnO 成為極具潛力的透明導電薄膜、透明電晶體材料之一。

另一方面，ZnO 其結構、晶格參數、以及能隙大小皆與目前最主 要的藍光發光二極體材料-氮化鎵(GaN)相似，然而，ZnO 卻有著高達

~60meV 的激子束縛能(exciton binding energy)；由於室溫的熱擾動能 (thermal energy)大約為 25.9meV，而氮化鎵(GaN)的激子束縛能恰巧就 是~25meV，ZnO 高達 60meV 的激子束縛能，使其較 GaN 更具備作 為穩定、高效能固態發光材料的優勢。

值得注意的是，由於纖鋅礦結構於 c 軸方向不具備反轉中心

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(inversion center)，其電荷分佈的不對稱致使其存在極性沿著 c 軸方向，

然而，由於目前主流 LED 元件大多是沿著 c 軸方向成長，此極性產 生的內建電場將造成能帶的傾斜，如圖 1-1(a)所示，將因量子侷限史 塔克效應(Quantum Confined Stark Effect, QCSE)而影響發光特性，為 了降低此內建電場對元件的影響，各種沿著非極性方向成長的相關研 究也開始受到注目。ZnO 的自發極化量(-0.057 C/m²)大約是氮化鎵 (-0.022 C/m²)的兩倍，故非極性磊晶在固態光源應用的議題上，非極 性 ZnO 顯得更為重要。

圖 1-1 (a)極性面 AlGaN/GaN 量子井結構之能帶、載子分佈圖，其中 虛線的部份為未受自發電場影響之能帶與載子分佈，(b)非極性面

AlGaN/GaN 量子井結構之能帶、載子分佈[1.6]。

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然而，光電元件其發光特性對薄膜內之缺陷、應力等影響極其敏 感，由於非極性磊晶薄膜其成長機制、應力釋放機制等相關研究都還 十分缺乏，致使目前高效能非極性元件仍無法實現；本研究藉由脈衝 雷射蒸鍍系統(PLD)搭配臨場反射式高能電子繞射儀(in-situ RHEED) 控制成長階段，搭配原子力顯微鏡(AFM)、高解析 X 光繞射儀

(HRXRD)、穿透式電子顯微鏡(TEM)等方式，研究 ZnO 於 R 面藍寶 石(sapphire)基板上成核、成長等不同階段的結構、應力特性，期望藉 由瞭解非極性 ZnO 之成長行為，可以提供後續改良製程之基礎資訊，

並獲得高品質非極性磊晶。

本論文將於第二章針對 ZnO 之結構、物理性質，以及磊晶成長 行為進行簡單的介紹，並於第三章敘述本研究所使用的製程、分析技 術。第四章將探討製程溫度對非極性氧化鋅磊晶成核、成長，以及應 力釋放機制之影響，並會簡單討論不同冷卻速率對結晶品質產生的差 異。第五章針對鋁摻雜氧化鋅(ZnO:Al)之磊晶行為進行探討，並且將 報告降溫速率對 ZnO:Al 所產生的額外影響。最後將於第六章針對本 論文進行總結，並討論未來仍值得注意的議題。

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參考文獻

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