(圖 3-11) 不同光罩開設方向而有的成長比較圖[14][32]
3-5 設計光罩圖型的動機來源
成長在 r-plane 藍寶石基板上的氮化鎵磊晶層因成長面結構有別於 c-plane 的關係，其表面的平坦度和磊晶品質都有相當大的考驗。由相關 論文所描述的現象也顯示，用開設光罩的方式在長有 a-GaN 緩衝層上的 template 將有機會可以藉由 HVPE 的磊晶過程使得 a-GaN 成長得較為平 坦。然而，開設光罩的圖型以及比例是決定成長結果的關鍵，因為條狀型
mask 的方向可以抑制平行 mask 的磊晶成長，而達到選擇性區域成長 (selective area growth)的結果。因此本實驗設計了兩種圖形，分別是 條狀型的圖案與交錯方格的圖案，並且在每種圖型上設計四種不同的比例 來觀察其成長出來的結果。(圖 3-12)與(圖 3-13)分別是兩種光罩的示意 圖，而 x:y 與 a:b 分別是條型 fill factor 與交錯方格的長寬比參數。以 本實驗而言，x:y 的設計分別是 5:10、5:15、5:20 與 5:25;而 a:b 的設計 則分別為 5:5.3、5:10.6、5:16 以及 5:21.2。此外，前者條紋狀開設的方 向是沿著 c-axis 的方向，而後者也是沿者 c-axis 方向開設並在 m 方向有 不同比例的截斷。上述兩項 fill factor 的設計動機分別陳述如下:
長條型條紋:
UCSB 團隊於 2006 年發表在 APL 的文獻指出，
當條狀的 mask 沿著 c 軸方向開設時，由 windows 成長出來的表面為三角型的形狀。該結果若類似 沿用成長 c-plane 時 facet-control 的方式調變 磊晶的 recipe，使得原本每個從 windows 成長出
來的島狀層往 m-axis 側向等速率成長接平，應 (圖 3-12)條型光罩 該也非常有機會可以得到較為平坦的表面。對於 fill factor 的設計，考 慮由於並不確定是否在同樣磊晶環境下哪種比例適合側向接平的條件，因 此設計 4 種可能的規格。所以針對 r-plane 藍寶石基板的磊晶，基本上若 純粹只使用一層 buffer layer 的話，由於沿者 c-axis 與 m-axis 的成長 速率不對等，因而就不容易藉由調變磊晶 recipe 來達到長平的結果。事 實上由實驗結果也得知，確實是如此。
交錯方格條紋:
此概念的形成是因為對比於一般開設 c-plane 除了開設長條形 mask 之外，也有針對 Ga-face 為六角形的原因而開設六角形圖案的 mask。藉由此概念我們同樣考慮了氮化鎵 wurtzite 結構中 a-plane 的邊長幾何參數為 c :
√3a = 5.18:5.5= 5:5.3。接者有很多文獻提出 (圖 3-13)方格型光罩 有關 c:m 成長速率的比例，但都是在不同環境甚至是不同流場設計的機台 下有的結果，因此針對本 HVPE 系統，我們則必須
考慮調變某一方向的 windows 寬度以尋找較適當 的比例來達到接平的效果。其考量原理是先尋找±
c 方向的平均成長速率與±m 方向成長速率的差異 兩者誰較大，由文獻與實驗可知前者大於後者且 後者接近是對稱的生長，因此綜合而言是±m 方向
的平均成長速率較快，條紋截斷的方向選擇是 m (圖 3-14)a-GaN 的 方向。再者，仍須考慮 c 或 m 方向成長速率的差 長寬比分別是 c :√3a 異，這將由開設不同 a:b 的比例來達成，也就是 = 5.18:5.5
說確保成長速率較快的一方其 diffusion length 的長度可以相對較慢的 一方為長，進而可能在兩個方向能同時接觸另一個側向成長的 grain，而 達到長平的結果。
第四章 實驗過程與結果
4-1 調變溫度(950℃,1050℃,1100℃)(P = 300,T,V/III=37.5)
4-1-1 SEM vs.T (a-GaN thin film/r-sapphire)
(圖 4-1)變溫成長圖
(圖 4-2)變溫 SEM 的 plane view &cross-section
由中村秀二率領的 UCSB 團隊在 2002 年用 HVPE 成長厚度達 50um 的 a-plane 氮化鎵厚膜發現，表面起伏相較於 c-plane 氮化鎵極為不平坦，
其成因是因為±c 方向的成長速率不同所致。有鑒於溫度是磊晶過程中可決 定 3D 或是 2D 成長的控制參數，期望可以在較高的溫度下相較縱向有較高 比例的側向成長，因而較有機會可以讓表面趨於平坦。所以溫度參數的調 控由 950℃Î1050℃Î1100℃。由一般相機的拍攝圖發現較低溫成長的氮 化鎵呈現完全黑色的結果，在 1100℃條件成長的結果具有相當好的透明 度。然而由 SEM 結果可以知道表面起伏狀況仍是相當大(~um 等級)，其餘 磊晶參數的調變仍未達到最佳化。
4-2 調變壓力(100,400,900mbar)(P,T=1100℃,V/III=37.5)
4-2-1 SEM vs. P(a-GaN thin film/r-sapphire)
(圖 4-3)變壓條件下 SEM 的 plane view &cross-section
磊晶溫度設定為最佳化的 1100℃，藉由調變壓力來控制生長過程中反 邊是 Ga-face，而較短的一邊則是 N-face。而 N-face 的兩翼由後續化學 蝕刻可知是 m-plane。對於縱向的成長皆大約為 100um，且橫向成長當中 Ga-face 比 N-face 約為 2:1 皆無明顯隨壓力變化而有的明顯成長。因此
-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500
Intensity (cps)
OMEGA_REL (arcsec)
100 IIC.X01 250 ll C.X01 300 IIC.X01 500 ll C.X01 900IIC.X01*
(圖 4-4) 變壓下平行 c 軸的 FWHM 原始圖
FWHM:1707(400mb)>1229(500mb)>1152(250mb)>1043(100mb)>718(900mb)
在五種不同成長壓力的環境下，其ω-scan 沿著 m 方向的 FWHM 如下所式
-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500
Peak FW0.5M
Intensity (cps)
OMEGA_REL (arcsec)
100 IIM.X01 250 ll M.X01 300.X01 500 ll M.X01 900 IIM.X01*
(圖 4-5) 變壓下平行 m 軸的 FWHM 原始圖
FWHM: 1265(100mb)>1094(900mb)>847(500mb)>585(250mb)>476(400mb)
0 200 400 600 800 1000
(圖 4-6) 變壓下平行 c 與 m 軸的 FWHM 示意圖 FWHM 的差異兩級化。然而這裡我們將藉由 LT-CL(請先跳至 5-4-1)對 BSFs 的分部來解釋 FWHM 於 in-plane 異相性的現象。
由上圖可知，同樣在調變不同壓力成長的條件下，其 FWHM 的變化也 有類似 N. Grandjean[34]團隊做出的結果。沿者 c 與 m 方向分別兩極化的 趨勢，特別在 P =400mbar 時，晶格品質異相性的差距最大並且在 in-plane 異相性的趨勢與 P=100mbar 以及 P=900mbar 所呈現的結果相反。此外特別 值得注意得一點是在 P=150mbar 與 700mbar 的壓力成長，可能是 FWHM 異 很低。再者我們引用 Soojeong Choi 等人於 2007 年發表在[35]期刊上針 對鎵原子在 c 與 m-plane 吸附與脫附的動態速率比較發現，鎵原子在極性 面的淨態結果相較非極性面有較好的吸附反應。因此推論，鎵原子與極性 面磊晶層有較好的吸附反應的情況。因此考慮 BSFs density 與吸附效果 較好的 Ga-face 這兩者因素對 FWHM 的消長趨勢可以發現，若處於低壓環 境下，供應反應的 source 較少有助於減緩吸附較好的結果而造成較佳的
晶格排列，但 m 方向在低壓情況可能造成 BSFs 密度較高而使得 FWHM 增加。
當壓力繼續提升時，提供的 source 數量增加將加劇反應的狀況而使得原 子排列變差，這效果使得 C 方向的晶格品質將比 M 方向差，卻有助於降低 m 方向的面缺陷密度。若再繼續升壓，對於 c 方向的吸附反應可能超過飽 和結果而有脫附的產生，因此有機會在動態吸附與託付過程中重新排列原 子層而有較好的晶格排列，而在 m 方向的結果則可能在過高壓力下也機更 有機會產生 BSFs 而增加 FWHM。因此，最後磊晶的參數選擇以 400mbar 的 條件，希望調變五三比將有助於降低 m 方向晶格列不完整的情況。
4-3 調變五三比(20 ,37.5, 50)(P=400mbar,T=1100℃,V/III)
4-3-1 SEM vs. V/III (a-GaN thin film/r-sapphire)
(圖 4-7) 變五三比條件下 SEM 的 plane view &cross-section
由調變五三比(這裡改變的是五族氨氣的流量)從 20~50 調變的 SEM plane view 可以明顯看出，較低的五三比環境所形成的表面其非等腰三角 面較小，相對所形成的高低起伏所造成的峰谷值較小，也就是洞的尺寸較 小。當五三比提高的情況，將可以發現開始有較明顯的非等腰三角面出 現，且高低起伏的表面形狀皆越來越明顯。此外，側向成長由低五三比到 高五三比的環境有明顯增加側向生長的機會，但同時也幫助縱向成長的結 果。因此，適當的五三比除了可以往側向成長來達到盡量皆平的結果之 外，也不至於因五三比過高而使得縱向成長造成較劇烈的高低起伏的落 差。由實驗可知 V/III=37.5 的結果較有助於達到這個可能。
由 cross-section SEM 沿著 C 方向將可明顯看出非等腰三角面的變化 的確由較小的尺寸逐漸變成較大的結果，而沿著 m 方向則清楚可以看到 m-plane 的局部上半面。由此可知，±c 方向的成長由於兩種不同極性面而 有不對稱的成長速率，但是 m plane 則為對稱的面所以成長速率是一致且 對稱的。
(HLH-AlN buffer layer/r-sapphire)
(圖 4-8) 變五三比條件下 SEM 的 plane view &cross-section 接著我們選擇另一種基板 HLH-AlN/r-sapphire ，同樣有類似以 a-GaN 薄膜當緩衝層的趨勢，也就是隨著五三比的提高將可以發現開始有較明顯 的非等腰三角面出現，且高低起伏的表面形狀也越來越明顯。不過有三點 不一樣的結果分述如下。首先，表面非等腰三角面的高低起伏的程度相較 成長在以 a-GaN 當緩衝層的結果來的低，並且因峰谷差異所造成洞的尺寸 較小也就是較為平坦。再者，發現以五三比為 20 的環境下來成長非極性 a-GaN 有較佳的平坦度，但是縱向成長的速率因低五三比顯得非常的緩慢。
第三，將成長在 HLH-AlN/r-sapphire 的 template 上磊晶層與在 a-GaN thin film/r-sapphire 的 template 表面起伏比較可以發現，以同樣 V/III
比且不同 template plane-view 的照片中將有明顯起伏落差的不同。
調變五三比條件由前一節已說明過，是改變供應五族(NH3)與三族 (GaCl)兩種 source 的比例，此種方式的調變是改變氨氣的流量，進而改 變氮與鎵原子數目的比例來達到表面沉積的快慢。一般氨氣通入的比例比 氯化鎵高兩個數量級以上，因此實際上的反應是氯化鎵被很高濃度的氨氣 所包覆而有機會在藍寶石基板上產生氮化鎵沉積。
對於變化 V/III 與 FWHM 異相性的趨勢，同樣把握兩項原則分別是 BSFs 在 m 方向的 density 由 CL 分析相對 C 方向是比較高，會造成 FWHM 在 m 軸上的提升，而五三比供應比例的提升會加劇 C 方向的成長速率而使 得晶格排列相對 m 方向有較差的品質。
由圖 4-9 與圖 4-10 可以比較發現，理論上隨著五三比提升，對 c 方 向的磊晶品質會因相對 M 方向有較好吸附率率且再加上過高的壓力而使其 結果有降低趨勢，也就是 FWHM 會上升。而在低五三比的情況來講，由 SEM 圖形可知以 HLH-AlN/r-sapphire 成長的厚度過薄以至於雖然 c 方向初始 晶格品較佳但因接近磊晶層與基板界面，所以面缺陷密度較高，而使得 FWHM 較寬。反觀以 a-GaN thin film /r-sapphire 為模板且在低五三比的 結果，發現 c 方向的晶格品質相當的差，其原因將近一步有待確認與釐清。