3-1：光激螢光光譜儀(PL)
光激發光量測是測定直接能隙(direct band gap)族半導體材料之光學特性 最常用的技術。本實驗室使用之光激發光量測，是在室溫下利用氩-鎘雷射(He-Cd laser)發出波長為 325nm 的雷射光照射到斷材料的好壞，以及判斷發光的主峰 位置及材料的發光特性。並且在對樣品量測詴片上，激發詴片內的電子電洞對，
將它們再結合所發出的光藉由光偵測器偵測，即可得到材料光激發光光譜，藉由 激發光譜(band to band)的半高寬來判經過一些實驗處理之後，我們也可以經由 主峰位置的一些藍移或紅移的現象，來檢視實驗前後應力之變化情況
(b)在施子能階(donor level)的電子與價帶電洞再結合躍遷
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(c)在導電帶的電子與授子能階(acceptor level)的電洞再結合躍遷 (d)在施子能階的電子與授子能階的電洞再結合躍遷
(e)自由激子(free exciton)的再結合躍遷等方式
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條，條紋密度為1200 的光柵較適用於藍光的量測範圍，條紋密度為1800 的光柵 較適用於黃光的量測範圍，由於本實驗想要探討缺陷部分的訊號，所以在此採用 條紋密度1800 的光柵來量測實驗。為避免雷射被透鏡反射後的反射光直接入射 到光譜儀中，並在光譜儀入光口處放置一濾鏡， 將波長為360nm 以下的光全部 濾除，而光譜儀的出光口處採用電荷耦合元件(Charge Couple Device，CCD) 來 當光偵測器。
圖3-1-3 PL系統架構
3-2：X-Ray 繞射儀(XRD)
單晶繞射分析儀的構造大致上可分為 X 光光源、電源產生器、測向旋轉裝置、
X 光射線偵測器（detector）及電腦自動控制等部份。測向旋轉裝置主要有三軸 旋轉機制，可以利用三個方向的旋轉到各晶格面（hkl）的法線向量（nhkl）是與 入射光及繞射光在同一平面上（滿足第一個條件）。X 光射線偵測器的位置，必 頇設計一個與 ω 軸共圓心的 2θ環。每當 ω 軸旋轉 θ 角時，偵測器就必頇旋 轉 2θ的角度。電荷隅極偵測器（CCD）是利用金屬氧化半導體電容物質造成電
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會呈現加乘效應，即符合布拉格公式（Bragg's law）的關係；
圖3-2-1 布拉格繞射示意圖
其中，d 為鄰近平行結晶面（hkl）兩平行面間的距離，θ 為入射光與平面 的夾角，λ 為 X 光源的波長，n 為任意整數。圖 3-2-1 是一個單晶繞射的示意簡 圖。當光程差是 λ 的整數倍時，呈現加成效應；而若光程差非 λ 之整數倍時，
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視為削減效應。由此，可預期繞射峰另在特定的 θ 產生。為滿足 Bragg 繞射公 式，必頇滿足下列兩個條件。第一、入射光、繞射光與晶體平行面之法線這三個 向量需在同一平面。第二、欲測面的法線平分入射光與繞射光的夾角。而不同的 晶體結構晶面間距 dhkl 會有所差異，因此會有不同組合之繞射角{2θhkl}，藉 由 θ-2θ 掃描，可以得到晶體的晶格常數，並可進一步做應力的分析。本實驗 所使用的量測方式為 ω-掃描，亦稱為搖擺曲線(Rocking Curve)，其量測方式 示意圖如圖 3-2-2 所示。藉由此方式之量測，可以由半高寬決定晶體的品質。
圖3-2-2 搖擺曲線(Rocking Curve)量測方法示意圖
此外我們亦可以用XRD的量測技術，量測其曲率半徑以了解氮化鎵基板的翹 曲程度，我們可平移一段位移打兩個點，一般無翹曲的詴片如圖3-2-3，其詴片 平移之後因無翹曲故其打的角度不會改變，如詴片本身有翹曲，如圖3-2-4則平 移一段位移之後，會有角度的變化，我們可依循其角度的變化，按照幾何及三角 函數的觀念推出其曲率半徑，如圖3-2-5，最後可導出R=(Δx/2)/sin(Δ ω/2)。
圖 3-2-3 無翹曲之詴片 圖 3-2-4 有翹曲之詴片
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3-3：掃描式電子顯微鏡 (SEM)
電子顯微鏡，主要是用來觀察樣品的表面形態，在成長非極性氮化鎵時，
由於生長表面的各個方向上的成長速率並不相同，容易造成成長完的表面不平整，
因此利用電子顯微鏡可以來觀察各個實驗結果所得到的樣品表面形貌。特別是在 論文中緩衝層實驗，由於緩衝層實驗中的樣品的結構尺寸都極為微小，利用電子 顯微鏡可以很清楚觀察到極細微之結構，所以是實驗中主要的量測儀器。
電子顯微鏡的詴片製備容易，影像解析器度極高，放大倍率可輕易達到 10000x 以上(而傳統的光學顯微鏡的最高放大倍率只有1500X 左右)，並具有景 深長的特點，可以清晰的觀察起伏程度較大的物體，如樣品的剖面結構。
首先將欲觀察的物品經過丙銅、IPA 以超音波震盪器各震盪5 分鐘，並以 氮氣槍吹洗樣品以清除表面的微小粒子，且鍍上導電性原子（通常是鉑Pt），使 之能吸引電子束。電子束會與標本的電子雲交互作用，釋出低能量電子。這些低 能量電子隨即受帶電的二次電子偵測器所吸引，而進入偵測器中；這樣的過程每 秒數以百萬次計，每一次的記錄即對應到該物品表面上的一個畫素。串級倍增器
圖 3-2-5 XRD 翹曲計算幾何示意圖
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會將電子放大，電腦則將之判讀為電流。另外， 移動透鏡下方的背向散射偵測 器，可辨認標本的組成元素。當電子束通過孔隙並穿透標本時，電子的路徑會因 樣本自身原子核種類的不同而 產生程度不等的偏折，其中一部份會撞及偵測器 背面，產生可資識別的訊號。
圖3-3-1 電子顯微鏡構造圖
電腦將表面掃描所產生的各種訊號，逐點轉換成陰極射線管中對應的影像。
標本表面的高點在螢幕上呈現白色，低點則呈深色。如果表面上的點朝向偵測器 傾斜，則看起來稍亮；如果傾斜方向為遠離偵測器，看起來較為灰暗。
可供SEM 偵測之信號：二次電子、背向散射電子、X 光、陰極發光、吸收 電子及電子束引起電流(EBIC)等，而最常被SEM 使用的信號為二次電子和背向散 射電子，以下將簡單說明兩者有什麼不同。
二次電子(Secondary Electrons)： 電子束和詴片作用，可將傳導能帶 (conduction band) 的電子擊出，此即為二次電子，其能量約<50 eV，擊出深度
<100 Å。
背向散射電子(Backscattered Electrons)：由入射電子反彈回來，其能量 約與入射電子相當，大約百分之七十的電子把所有能量消耗在作用體積內，只有
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百分之三十會被詴片原子碰撞出來，此即為背向散射電子，其在SEM 中提供有用 的信號。
圖 3-3-2 不同電子的穿透深度圖
3-4：原子力顯微鏡(AFM)
最早掃描式顯微技術(STM)使我們能觀察表面原子級影像，由於 STM 侷限於 詴片的導電性質，使得應用範圍大大的減少，為了能有更廣泛的應用科用，故改 用力場作回饋而發展出原子顯微儀（atomic force microscope, AFM），而因為 對導體及絕緣體均有三維空間的顯影能力，所以成為運用最廣泛的掃描探針顯微 儀。AFM 可適用於各種的物品，如金屬材料、高分子聚合物、生物細胞等，並可 以操作在大氣、真空、電性及液相等環境，進行不同物性分析，所以它可以用於
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分辨包括絕緣體在內的各種材料表面上的原子級的解析度，其應用範圍無疑比其 他顯微分析技術更加廣闊。下圖 3-4-1 為原子力顯微鏡示意圖：
圖 3-4-1 原子力顯微鏡示意圖
在原子力顯微鏡的系統中，是利用微小探針與待測物之間交互作用力，來呈 現待測物的表面之物理特性。所以利用排斥力與吸引力兩種特性可發展出三種操 作模式，以下介紹三種操作原理與優缺：
※接觸式(Contact Mode)：
種方法是利用探針與樣品之間的原子排斥力去掃描，是最早被發展出來的操 作模式，由於排斥力對距離非常敏感，所以接觸式 AFM 較容易得到較佳的原子解 析度。在一般的接觸式量測中，探針與樣品間的作用力很小，約為 10-6至 10-10 N
（Newton），但由於接觸面積極小，因此過大的作用力仍會損壞樣品表面，但較 大的的作用力通常可得到較佳的解析度，但探針也較容易刮傷樣品。
※非接觸式(Non Contact Mode)：
為了解決接觸式 AFM 可能損壞樣品的缺點，便有非接觸式 AFM 發展出來，利 用表面上所存在的凡得瓦爾力吸引會改變振幅的大小做回饋，在真空環境下操作，
其解析度亦可達原子級的解析度，是 AFM 中解析度最佳的操作模式。在 掃 描 成
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像 過 程 中，探 針 不 接 觸 樣 品 減 少 對 樣 品 的 傷 害，但 在 大 氣 中 解 析 度 易 受 水 膜 影 響 。
※輕敲式(Tapping Mode)：
探針和樣品問的距離介於接觸式和非接觸式，即 0.5 至數十奈米之間，
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3-6：微拉曼光譜儀(Microscopes Raman Spectrometer)
隨著氮化鎵厚膜彎曲程度的不同，想必其中內含之應力大小或變化也
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拉曼散射(Raman scattering)
1928 年時，拉曼(C.V. Raman)觀察到光子的能階躍遷與非彈性散射，
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間距相當時(如 X 光)，即為所謂的布拉格散射(Bragg scattering)。[20]
拉曼散射只是量到光子能量改變，而光子的能量變化為E=h(v-v') 收集散射光可得光譜，包含瑞立散射與拉曼散射。而拉曼散射所測量的光 子能量變化以波數（wave number）表示，拉曼位移與能量差的關係為:
Raman)散射，頻率往高頻走。一般把 Rayleigh 散射和 Raman 散射合起來 所形成的光譜稱為 Raman 光譜。
微拉曼光譜儀
微拉曼光譜儀主要包含，雷射與光路系統、聚焦透鏡顯微組、照相螢 幕、電腦配備、光譜儀與 CCD(Charge Coupled Device)光譜偵測器。雷射 光經過聚焦透過光學顯微鏡入射到詴片上，而被散射的光也經過相同的顯 微鏡進入光譜儀當中，再經由 CCD 光偵測器形成欲待分析之光譜。對於每 次量測時為了確保準確性，可使用校正標準詴片，通常為矽(Silicon)，
其拉曼光譜峰值為 520cm-1。實驗裝置如圖 3-6-2 所示。
圖 3-6-1光入射樣品與散射示意圖
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圖 3-6-2微拉曼光譜儀裝置圖
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