第一章 緒論
1.1 前言
近年來由於發光二極體（Light Emitting Diode，LED）的蓬勃發展，
其相關的 II-VI 族及 III-V 族發光材料[1-4] 也興起一股研究風潮。而發光原 理皆是利用半導體材料中，電子在傳導帶躍遷至價帶的過程中，能量轉 換以光的形式釋放出，其中以III-V 族的氮化鎵化合物具有寬能隙（1.9 ~ 6.2eV）與直接能隙（在室溫下 3.4eV）的特性，其波長範圍包含可見光 至紫外光波段，而且發光二極體最大的特點是尺寸小、壽命長、驅動電 壓低、反應速率快、耐震性特佳、良好的光電轉換效率，因此成為短波 長發光元件中最主要的材料[3-4]，其應用範圍包含一般照明、LED TV 背 光源、戶外大型看板、交通號誌、通訊產品、一般消費性產品。
發光二極體在製作的過程中，要考量選用的基板與薄膜材料之間的 晶格常數及熱膨脹係數是否互相匹配，如果彼此間晶格差異過大會導致 交界面的微結構處存在缺陷，而磊晶製程中當薄膜到達一定的臨界厚 度，會有機械應力的產生。另一方面在製程或是封裝過程中受到外力的 接觸，也會因受到局部破壞造成表面塑性變形，不僅使內部存在差排缺 陷（Dislocation），嚴重則表面出現裂痕（Cracks），這些問題都會影響到 二極體的發光效率及穩定性。因此，為了降低製程中發光效率不佳的二 極體，材料的機械性質是相當值得深入研究的題材。
1.2 研究動機
近年來III-V 族氮化鎵化合物的應用範圍相當廣泛，加上奈米量測技 術的迅速發展，得知材料性質在奈米尺度下與巨觀尺度下有很大的不 同，因此要了解奈米尺度下微結構的機械性質就顯得非常重要，有關這 方面的研究文獻也非常豐富，目前最常使用 C 軸（0001）藍寶石基板生 長氮化鎵磊晶結構，但有更多學者研究指出在 A 軸（1120）藍寶石上生 長氮化鎵磊晶結構，具有更好的晶格匹配度（Lattice mismatch）能有效 減少磊晶層與基材間的缺陷[5]，更進一步提升光電轉換之效能。另一方 面，運用奈米壓痕量測系統對氮化鎵磊晶層做局部微小的塑性破壞，不 但可以得到磊晶層的奈米機械特性外，更可以分析塑性破壞區域的陰極 螢光光譜，更深入的探討彈塑性變形破壞與發光機制之間的關連性[6]。
本論文研究動機如下所述：
（1）探討 A 軸（1120）氮化鎵磊晶層之基礎機械性質，與其他薄膜材 料之差異性[7~9]。
（2）運用奈米壓痕量測系統探討氮化鎵磊晶層之彈塑性變形機制，觀察 表面奈米結構經由壓痕負載後之破壞情形，分析在不同應力振幅變 化以及重複負載次數的破壞下，對於機械性質之影響[6,10]。
（3）運用陰極螢光系統量測氮化鎵磊晶塑性破壞區域之激發光譜，探討
殘留壓痕的中心點與邊緣區域，光譜波鋒受到抑制和偏移現象，與 晶格的滑移機制造成局部扭曲或是隆起堆疊現象是否有其關聯 性，因此結合了機械性質與光學性質來探討內部缺陷的形成與發光 效率之影響[6,11,12]。
（4）研究結果可用來解釋二極體元件的運送與封裝製程中，受到微小外 力的碰撞對機械與光學特性的改變，提供具有可靠度之研究改善。
1.3 研究架構
第一章 緒論：介紹材料的應用範圍，並以奈米壓痕試驗做為研究的基礎 並訂出實驗目的與動機。
第二章 基本理論：介紹氮化鎵結構生長與合成方法、相關的Ⅲ-V族氮化 物的材料特性、貫穿式差排（Threading Dislocation）的形成機制 及影響；另外對奈米壓痕量測有相關之文獻探討。
第三章 實驗流程：介紹實驗規劃流程以及所使用之儀器。
第四章 實驗結果與討論：說明第三章實驗所得的結果，並且加以討論。
第五章 結論：研究結果依條列式說明。
第六章 後續研究工作：研究項目依條列式說明。