第二章 基本理論及實驗設備
2.4 霍爾原理
霍爾效應的基本原理是建立在勞倫茲力（Lorentz force）上，當
電子沿著垂直外加磁場的方向移動，受到垂直作用力，此力和磁場的
由於不受幾何形狀限制的優點，且只需四點量測點，Van der Pauw量 測法成為霍爾量測最普遍的方法。首先在垂直方向取四組數據平均計 算垂直的片電阻 ，水平方向亦取四組數據平均計算水平的片電阻
，如圖2.4、2.5所示。將兩平均的片電阻值帶入下列公式中求得修
Rv
Rh
正因子F。
本研究採用Van der Pauw量測法，使用儀器為KEITHLEY 2420及 自行架設的量測套件，示意圖如圖2.8，磁場強度約為0.34特斯拉，量 測溫度為室溫，量測樣品在切割上以切成正方形為佳，於各角落焊銦 點 作 為 接 點 並 將 樣 品 置 於 樣 品 載 板 上 ， 利 用 電 壓 電 流 控 制 盒 與 KEITHLEY 2420的四點量測法搭配量測。
2.5 X-ray diffractometer(XRD)分析
X-ray繞射分析是一種非破壞性的分析，可以提供我們有關薄膜材
料的組成分析與相分析[25]。晶體是在空間中由原子或原子團規則排
掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）的工作 原理[25]，是由電子槍產生電子束後，經過高壓加速通過電磁透鏡組
（condenser lens）、掃描線圈與屏蔽孔徑，聚焦在樣品表面，激發出 二次電子訊號，偵測器收集訊號並放大後，同步成像於螢幕上。
能量散射分析儀（Energy Dispersive Spectrometers，EDS），常會 附加在SEM系統中，利用擴散鋰原子的矽晶偵測器，在低溫下操作接 收被電子束激發出來的X-ray，再經放大、分析其所對應的元素。
2.7 原子力顯微鏡
原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)是由 Binning、
Quate 及 Gerber 於 1986 年所提出[26]。其在科學應用上已廣為應用 於奈米尺度的顯微分析，對奈米科技有直接的助益。原子力顯微鏡屬 於掃描探針顯微技術(Scanning Probe Microscopy，SPM)的一種，具有 原子級解像能力，不僅僅可應用於材料表面的檢測，並能在真空、氣
體或液體環境下量測樣品。此類技術均是利用特製的微小探針來做量 研究採間歇接觸式（亦稱輕敲式，intermittent contactor tapping），乃 是介於接觸式與非接觸式之間。掃描時探針以高頻在Z 方向振動，且
結構研究的重要工具。
Ssk值為表面傾斜度(Surface Skewness，Ssk)如示意圖 2.10
( )
Sku為表面鋒度(Surface Kurtosis，Sku)如示意圖 2.11
( )
第三章 實驗方法 部份Si(111)基板、氧化銦錫玻璃(ITO glass)和藍寶石基板。對於此四 種基板，一律皆有採用去除有機物的方法清洗，另外再對於康寧玻璃
3.2 濺鍍薄膜於康寧玻璃基板
品不至於損壞。
3.2.1 濺鍍氮化鋁薄膜於玻璃基板
氮化鋁在此研究中主要是當作緩衝層(buffer layer)或介質層 (intermediate layer)來使用，因為它與氮化銦的晶格不匹配(Lattice Mismatch)約為 13%，為六方晶系的纖鋅礦中最低的。另一方面由於
第四章 實驗結果與討論 4.1 表面形貌(Topography)分析
4.1.1 氮化銦薄膜
些非常突出的小尖錐，但大致上是平坦的薄膜表面。顯示射頻濺鍍所
4.1.4 濺鍍氮化銦薄膜氮氣流量 6sccm
圖4.24 為不同溫度下射頻濺鍍氮化銦薄膜電子移動率(Mobility，
µ)與濃度(Carrier Concentration)比較圖，發現隨著溫度上升電子移動
移動率的趨勢與溫度對表面形貌鋒度趨勢相同，300℃氮化銦薄膜之 鋒度與電子移動率為最低。圖 4.26 亦顯示在 400℃緩衝層上，以不同 溫度沈積的氮化銦薄膜鋒度與電子移動率的趨勢相同。
圖4.27 則為在射頻濺鍍氮化鋁薄膜上，濺鍍不同溫度氮化銦薄膜 的Mobility 與 Carrier Concentration 比較圖，顯示在 500℃時仍有 4.46 cm2/ V・sec，且 500 (℃ 圖4.20)未看到陷落產生，表示氮化鋁緩衝層 於多晶結構[34]，且在 31.36°出現一個極大的峰值，此為 InN(002)；
其餘的峰值出現於28.96°為 InN(100)、57.01°為 InN(103)及 65.39°為 InN(004)。並沒有文獻[35]所提到的 200℃成長的氮化銦晶相比較複雜
的情形，如圖4.34。可能是由於濺鍍氮化銦薄膜改用射頻濺鍍，且氮
以看出電子移動率隨著溫度上升而下降，200℃沈積的氮化銦薄膜電 子移動率達37.06 cm2/ V・sec，且 400℃的電子移動率亦有 22.09 cm2/ V・sec。原子力顯微鏡圖 4.39、4.40、4.41 分別為不同溫度下的氮化 銦薄膜，可明顯看出表面形貌的轉變，圖4.42、4.43 和 4.44 則為相
移動率趨勢。根據以往實驗結果[35]，直流濺鍍氮化銦薄膜最高電子
第五章 結論與未來討論
膜上成長直流濺鍍的氮化銦薄膜，做出了37.057 cm2/ V・sec 的氮化 銦薄膜，與文獻[36]中最高值的電子移動率 14.6cm2/ V・sec 相比，亦 說明先行於玻璃基板上濺鍍氮化鋁薄膜當緩衝層的方式已經可以取 代常用的藍寶石基板[37][38]來濺鍍高品質的氮化銦薄膜，而仍保有 不錯的電性可作應用。
本研究中有尚未深入探討的部份，包括如何使薄膜濃度有效降低 的方法仍不明確，及光電元件應用的成果等等皆是未來值得探討的區 域，盼實驗室後進成員能探討研究。
表 4.1 射頻沈積氮化銦薄膜溫度對表面粗糙度數值表
氮化銦薄膜溫度 Sa Sq Ssk Sku
200℃ 4.14 5.19 0.367 3.37 300℃ 5.69 7.16 0.288 3.31 400℃ 5.34 6.71 0.27 3.11 500℃ 4.22 5.68 -1.26 5.62
表面粗糙度定義[39]
Sa值表示表面平均粗糙度(Surface Average，Sa) Sq值為表面粗糙度方均根植(Root Mean Square，Sq)
Ssk值為表面傾斜度(Surface Skewness，Ssk) Sku為表面鋒度(Surface Kurtosis，Sku)
表 4.2 200℃與 400℃直流濺鍍緩衝層上，成長不同溫度氮化銦薄膜 AlN Temp InN Temp 中心峰值(deg) FWHM(deg)
200℃ 200℃ 31.36 0.4
200℃ 300℃ 31.42 0.46
200℃ 400℃ 31.24 0.22
400℃ 400℃ 31.2 0.2
400℃ 300℃ 31.26 0.38
圖 1.1 氮化銦六方晶系纖鋅礦結構示意圖
圖1.2 氮化鋁變形四面體示意圖
圖 2.1 濺鍍系統示意圖
圖 2.2 薄膜成長示意圖
圖 2.3 霍爾效應示意圖
圖 2.4 垂直片電阻測量示意圖
圖 2.5 水平片電阻測量示意圖
圖2.6 霍爾量測外加正磁場示意圖
圖2.7 霍爾量測外加負磁場示意圖
圖2.8 霍爾量測系統示意圖
圖2.9 原子力顯微鏡示意圖
圖2.10 Ssk表面傾斜度示意圖
圖2.11 Sku表面鋒度示意圖
圖3.1 製程流程圖
圖 4.1 200℃射頻濺鍍的氮化銦薄膜
圖 4.2 300℃射頻濺鍍的氮化銦薄膜
圖 4.3 400℃射頻濺鍍的氮化銦薄膜
圖 4.4 500℃射頻濺鍍的氮化銦薄膜
圖4.5 500℃射頻濺鍍氮化銦薄膜的掃描式電子顯微鏡圖
圖4.6 不同溫度下沈積氮化銦薄膜的鋒度與斜度比較圖
圖4.7 直流濺鍍 200℃氮化鋁緩衝層的原子力顯微鏡圖
圖4.8 射頻濺鍍 400℃氮化鋁緩衝層的表面形貌
圖4.9 氮化鋁薄膜頻率 1KHz 電容對電壓圖
圖4.10 200℃氮化鋁薄膜上成長 200℃氮化銦薄膜之原子力顯微鏡圖
圖4.11 200℃氮化鋁薄膜上成長 300℃氮化銦薄膜之原子力顯微鏡圖
圖4.12 200℃氮化鋁薄膜上成長 400℃氮化銦薄膜之原子力顯微鏡圖
圖4.13 400℃氮化鋁薄膜上成長 400℃氮化銦薄膜之原子力顯微鏡圖
圖4.14 400℃氮化鋁薄膜上成長 300℃氮化銦薄膜之原子力顯微鏡圖
圖4.15 400℃氮化鋁薄膜上成長 200℃氮化銦薄膜之原子力顯微鏡圖
圖 4.16 沈積於不同溫度氮化鋁薄膜緩衝層上的氮化銦薄膜鋒度與斜 度比較圖
圖4.17 400℃射頻濺鍍氮化鋁薄膜上成長 200℃射頻濺鍍氮化銦 薄膜之掃描式電子顯微鏡圖
圖4.18 400℃射頻濺鍍氮化鋁薄膜上成長 300℃射頻濺鍍氮化銦 薄膜之掃描式電子顯微鏡圖
圖4.19 400℃射頻濺鍍氮化鋁薄膜上成長 400℃射頻濺鍍氮化銦 薄膜之掃描式電子顯微鏡圖
圖4.20 400℃射頻濺鍍氮化鋁薄膜上成長 500℃射頻濺鍍氮化銦 薄膜之掃描式電子顯微鏡圖
圖4.21 於直流濺鍍氮化鋁緩衝層上，射頻濺鍍溫度 400℃，氮氣流 量 6sccm 氮化銦薄膜之掃描式電子顯微鏡圖
圖4.22 於直流濺鍍氮化鋁緩衝層上，射頻濺鍍溫度 200℃，氮氣流 量 6sccm 氮化銦薄膜之掃描式電子顯微鏡圖
圖4.23 於直流濺鍍氮化鋁緩衝層上，射頻濺鍍溫度 200℃，氮氣流 量 6sccm 氮化銦薄膜之原子力顯微鏡圖
圖 4.24 不同溫度下射頻濺鍍氮化銦薄膜 電子移動率與濃度比較圖
圖4.25 沈積於 200℃氮化鋁薄膜緩衝層上的氮化銦 薄膜之電子移動率與濃度之比較圖
圖4.26 沈積於 400℃氮化鋁薄膜緩衝層上的氮化銦 薄膜之電子移動率與濃度之比較圖
圖4.27 在射頻濺鍍氮化鋁薄膜緩衝層上，成長不同溫度的射頻濺鍍 氮化銦薄膜之電子移動率與濃度關係圖
圖4.28 在溫度 400℃氮化鋁薄膜上，通入氮氣流量 6sccm 濺鍍沈積 氮化銦薄膜之電子遷移率與濃度比較圖
圖 4.29 在 200℃氮化鋁薄膜上成長 200℃氮化銦薄膜之 XRD 圖
圖 4.30 在 200℃氮化鋁薄膜上成長 300℃氮化銦薄膜之 XRD 圖
圖 4.31 在 200℃氮化鋁薄膜上成長 400℃氮化銦薄膜之 XRD 圖
圖 4.32 在 400℃氮化鋁薄膜上成長 400℃氮化銦薄膜之 XRD 圖
圖 4.33 在 400℃氮化鋁薄膜上成長 300℃氮化銦薄膜之 XRD 圖
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
圖4.35 在準分子脈衝雷射濺鍍氮化鋁緩衝層上成長氮化銦薄膜之電 子移動率與濃度比較圖
圖4.36 在直流濺鍍緩衝層上成長直流濺鍍氮化銦薄膜時改變氮氣流 量所得之電子移動率與濃度關係圖
圖4.37 在直流濺鍍緩衝層上成長不同溫度的直流濺鍍氮化銦薄膜之 電子移動率與濃度關係圖
圖4.38 在射頻濺鍍氮化鋁薄膜上，以不同溫度直流濺鍍氮化銦薄膜 之電子移動率與濃度圖
圖 4.39 在射頻濺鍍氮化鋁薄膜上，成長 400℃直流濺鍍氮化銦薄膜 的原子力顯微鏡圖
圖 4.40 在射頻濺鍍氮化鋁薄膜上，成長 300℃直流濺鍍氮化銦薄膜
圖 4.41 在射頻濺鍍氮化鋁薄膜上，成長 200℃直流濺鍍氮化銦薄膜 的原子力顯微鏡圖
圖 4.42 在射頻濺鍍氮化鋁薄膜上，成長 400℃直流濺鍍氮化銦薄膜 的電子顯微鏡圖
圖 4.43 在射頻濺鍍氮化鋁薄膜上，成長 300℃直流濺鍍氮化銦薄膜 的電子顯微鏡圖
圖 4.44 在射頻濺鍍氮化鋁薄膜上，成長 200℃直流濺鍍氮化銦薄膜 的電子顯微鏡圖
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