緩衝層

由於上述原因，所得到的氮化鎵的品質一直不是很好。一直到 1983 年 Yoshida 等人用分子束磊晶(Molecular beam epitaxial，MBE) 在 藍 寶 石 基 板 上 先 以 高 溫 成 長 一 層 氮 化 鋁 (AlN) 緩 衝 層 (Buffer layer)，又稱晶核成長層(Nucleation layer)，然後在其上成長氮化

鎵，可得品質較好的氮化鎵。之後 Amano 及 Akasak 等人用有機金屬 氣 相 磊 晶 系 統 (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition ， MOCVD)，先用低溫約 600℃再藍寶石基板上成長一層薄的氮化鋁。然 後再其上以約 1000℃之高溫成長氮化鎵，可以得到跟鏡面一樣的材 料。1991 年 Nichia 公司的 Nakamura 等人則是在低溫用氮化鎵當緩 衝層，然後再其上以高溫成長氮化鎵一同樣得到鏡面般的平躺的高品 質的結晶體。圖 2-16 是此法成長氮化鎵時的程序圖。

圖2-16 一般用緩衝層成長氮化鎵時的順序圖[19]

1. 氧化鋁緩衝層

最早用來當緩衝層的材料是氮化鋁(AlN)。1986 年Amano 等人用

然後在950 ~ 1060 ℃時成長氮化鎵，得到X-ray半高寬約2.7min時最 佳的材料。1988 年Amano 及Akasaki[20]等人第一次用低溫約600℃

成長氧化鋁在藍寶石基板上，然後在1040℃高溫成長氮化鎵，得到品 質優良的氮化鎵，室溫載子濃度2~5×10¹⁷cm^-3，電子遷移率(Mobility) 359 ~ 439 cm2/V-sec，這個結果跟沒有緩衝層的比較，可以參考圖 2-17。

圖2-17 比較有無低溫緩衝層氮化鋁成長氮化鎵的電性[20]

Hiromtsua[21]等人首先提出如圖2-18的成長程序，用來解釋氧

狀(Columar)高度相同的緩衝層(2)在高溫成長氮化鎵核心(3)核心繼 續成長(4)形成島狀(Island)(5)橫向成長(6)聚結合併(Coalescence) 繼續成長得到表面平滑的厚膜，Amano[22]等人在圖2-19中比較了有 跟沒有氧化鋁緩衝層時，高溫的氮化鎵的橫向成長與垂直成長的關 係，有了緩衝層，垂直方向會減緩成為二維(2-D)成長。如果沒有緩 衝層的話，垂直方向成長迅速則會演變成不平的表面。

圖2-19 比較有無氮化鋁緩衝層時方向與垂直方向之成長關係[22]

Akasaki[23]等人在圖 2-20 中比較有無氧化鋁緩衝層時高溫成 長氮化鎵之程序。其中圖(a)是有氧化鋁緩衝層的，圖(b)則是無緩衝 層的。由圖可知有了緩衝層垂直方向成長相對橫向成長減少形成 2-D 成長以及平滑面，若無緩衝層則會如圖之結果會變成三維(3-D)之成 長得到不平的表面。

2. 氮化鎵緩衝層

1991 年 Nakamura[24]用 MOCVD 在 450~600℃低溫時，首次成長 用氮化鎵當緩衝層。然後升溫至 1000~1030℃成長 4μm 厚的氮化鎵，

得到品質極佳的材料。其室溫載子濃度低至 4X10¹⁶cm^-3，電子遷移率 高達 600cm²/V-sec。Nakamura 研究在不同緩衝層厚度時，載子濃度 電子活動率 XRC 半高寬之關係，請見圖 2-21。目前用氮化鎵做低溫 緩衝層所成長之氮化鎵最高室溫電子電動率高達 800cm²/V-sec，由圖 2-21 可知緩衝層之後度再 200A 時是最佳狀態。

圖2-21 在室溫及77K時，電子活動率、載子濃度、X-ray半高

B.P.Keller 等人亦發現，在 600℃成長之氮化鎵緩衝層其厚度在 約 200A 時，在高溫成長之氮化鎵其光學性質 I^b/I^d之比(22K 時)，亦 即帶邊之光機發光(PL)強度跟深層級(Deep level)之 PL 強度比最 高，而且帶邊(Band edge)之半高寬也最低。

N.S.Yi[25]等人最近發表氮化鎵緩衝層在不同溫度(467~650℃) 成 長 時 ， 其 晶 體 堆 積 (Stacking) 由 正 方 (Cubic) 逐 漸 轉 至 六 角 形 (Hexagonal)，用 PL 所量之緩衝層級高溫淡化鎵之結果繪在圖 2-22 中。由圖 2-22 可知，最佳成長溫度應在 505 左右，因為在此情況下 之光譜，其黃光峰值(Yellow peak)最低。

圖2-22 在不同溫度時之緩衝層及其相對高溫成長氮化鎵的光譜