霍爾量測實驗討論

霍爾量測實驗可以快速得到薄膜之載子濃度、載子遷移率、n 型或 p 型等資訊，是電性量測最基本的實驗。應此先以室溫霍爾量測分析不同 V/III ratio 對電學特性的影響，其實驗結果整理成圖(4.1-1)。從圖中可以得 知，在 V/III ratio 為 10000 時明顯可分為兩個區域，當 V/III ratio 從 7500 增加至 10000，載子遷移率從 108 cm²/Vs 提升至 146 cm²/Vs，而載子遷移 率從 5.66x10¹⁸ cm^-3下降至 3.90x10¹⁸ cm^-3。一般認為載子濃度下降同時載子 遷移率提升是整體氮化鎵薄膜電學特性優化的現象，而先前提到在低成長 溫度下之傳統 MOCVD 系統無法將氨氣有效分解，使得氮氫鍵活性複合物 不足，造成大量氮缺陷產生而成為高電子濃度之 n-type GaN，進一步扮演 了散射機制的角色讓電學品質低落。雙加熱 MOCVD 系統雖然額外提供氨 氣分解，但仍需要一定的 V/III ratio 才能提供較為充足的氮氫鍵活性複合 物，因此 V/III ratio 由 7500 提升至 10000 造成電學特性優化的初步原因可 推測是較為充足的氮氫鍵活性複合物造成的結果。然而，當 V/III ratio 進 一步由 10000 提高至 15000 以及 20000，電學特性沒有再連帶優化反而品 質低落，其載子遷移率由原本 146 cm²/Vs 下降為 41 cm²/Vs，而 V/III ratio 為 20000 情況下甚至只有 2.7 cm²/Vs。載子濃度隨著 V/III ratio 提高而由 3.90x10¹⁸ cm^-3下降至 2.66x10¹⁸ cm^-3以及 4.16x10¹⁷ cm^-3。雖然載子濃度下降 至接近一般高成長溫度(1100 ℃)氮化鎵薄膜的等級(約 1±2x10¹⁷ cm^-3)，但載

子遷移率卻是一直下降，此情況不能說明更高 V/III ratio 使氮化鎵薄膜品 質再進一步提升，反而是在更高 V/III ratio 情況下產生補償型授子缺陷 (Acceptor defects)。這些授子缺陷補償了未摻雜氮化鎵薄膜原本的背景載子 濃度，同時也扮演著散射中心(scattering centers)的角色使載子遷移率下降。

K. Saarinen et al.[26] 藉 由 陽 離 子 正 電 湮 滅 頻 譜 (Positron annihilation spectroscopy)發現 V/III ratio 由 1000 提升至 10000，鎵空缺濃度會由 10¹⁶ cm^-3提高至 10¹⁹ cm^-3，其實驗結果整理為圖(4.1-2)，且載子濃度亦會由 10²⁰ cm^-3下降至 10¹⁶ cm^-3。也有團隊認為過高 V/III ratio 情況下，過量氮原子會 使減少鎵吸附原子在磊晶表面的移動能力，這也是鎵空缺在高 V/III ratio 情況下更容易產生的因素之一。

此改變 V/III ratio 系列中電學特性最佳的磊晶條件是 V/III ratio 為 10000，此時載子遷移率到達了 146 cm²/Vs，是目前在低成長溫度下傳統 MOCVD 系統尚未達到的等級(載子遷移率與傳統 MOCVD 系統比較圖整 理成圖(4.1-3))[9][29][30][31][32][33]。先前提及目前高成長溫度氮化鎵薄 膜載子遷移率已達到 400 cm²/Vs 以上且載子濃度為 1±2x10¹⁷ cm^-3，因此低 成長溫度氮化鎵薄膜仍有相當大的進步空間。一般認為造成載子遷移率下 降的散射中心有本質缺陷、差排缺陷、雜質缺陷等。接下來將使用 X 光繞 射、變溫霍爾量測、以及光激螢光光譜實驗來進一步釐清低成長溫度氮化 鎵薄膜中散射載子的主要因素。

圖(4.1-1) 霍爾量測結果與 V/III ratio 關係圖

圖(4.1-2) 鎵空缺濃度與 V/III ratio 關係圖 K. Sarrinen et al., APL 73 3253 (1998)

600 700 800 900 1000 1100 1200 0

100 500 600 700

This work, T_g=850 ^oC

HT-GaN, T_g=1000-1100 ^oC LT-GaN, T_g=700-950 ^oC

C arr ier m obi lit y (cm

/Vs)

Growth temperature (

C)

圖(4.1-3) 各團隊長晶溫度與載子遷移率關係整理圖