在第四章中我們使用MOCVD 法在 Y2O3緩衝層上沉積氧化鋅薄 膜，藉由控制成長時間的長短來觀察氧化鋅在 Y2O3上成核、成長的 情況，不過受限於本實驗所使用之 MOCVD 機台功能不足(氣體流量 無法在低流量下控制精準、鋅的前驅物無法控制揮發速率、反應腔體 流場設計無法為均勻的氣場)，因此無法完全了解整個成核的情況(指 在不成連續膜的成核狀況)，因此我們在PLD 系統中設定最低雷射重 複率 1 Hz、較少的脈衝次數來精準控制氧化鋅成核的情況。設定的 脈衝次數為 175、150、125、100、75、50、25 次，成長溫度與氧分 壓分別固定為500 °C、10-3 torr。薄膜分析方面使用 XRD 鑑定成長方 向，藉由AFM 與 HRAFM 觀察試片表面形貌與粗糙度，TEM 影像則 用來觀察薄膜結構與介面情況。詳細實驗參數與對應之試片編號列於
表 5-1。
XRD 分析
圖 5-10 為 Y66～Y72 試片之 θ-2θ 模式 XRD 圖譜，試片 Y66～
Y71 的 XRD 圖譜除了 Si 基板的訊號之外，只有 Y2O3(222)與氧化鋅 (0002)的訊號，這代表在成核與成長的階段氧化鋅都是以 c 軸的方向 成長，而Y72 試片只有 Si 與 Y2O3的訊號沒有氧化鋅的訊號，其原因
可能為氧化鋅的量太少而且受限於 XRD 機台的能力，導致 XRD 機
2 Theta, degrees
68
2 Theta, degrees Si(111) 69
2 Theta, degrees
70
2 Theta, degrees
71
2 Theta, degrees
66
2 Theta, degrees
67 150 pulses Si(111)
ZnO(0002)
圖5-10 為 Y66～Y72 試片之 θ-2θ 模式 XRD 圖譜。
AFM 表面形貌分析
圖5-11 為 Y66～Y72 試片之 AFM 2d 影像，從 Y66～Y68 試片的 影像可以推測出，脈衝次數依次為175、150、125 次，次數較少的試 片表面比較平整，其表面粗糙度從2.92 nm 降至 1.90 nm，由影像上
2 Theta, degrees
72 25 pulses Si(111)
Y2O
3(222)
於其上，因此從這裡可以瞭解Y66~72 試片其成長的情況為在平整的 Y2O3 表面上先著許多島狀的氧化鋅，然後開始往四處成長逐漸形成 平整的氧化鋅連續膜，當氧化鋅剛好成為連續膜的時候，其表面的粗 糙度為最低(Y68 試片)，假如此時繼續成長的話則會開始進行成長的 階段，則此時表面會越來越粗糙，圖 5-12 為 Y66～Y72 試片表面粗 糙度之趨勢曲線圖。
圖5-11 為 Y66～Y72 試片之 AFM 2D 影像，脈衝次數 (a) 175 次，(b) 150 次，(c) 125 次，(d) 100 次，(e) 75 次，(f) 50 次，(g) 25 次。
圖5-12 為 Y66～Y72 試片表面粗糙度之趨勢曲線圖。
此外我們針對 Y72 試片(次數為 25 次)作更深入的分析，由 2D AFM 影像推估其島狀氧化鋅成長的密度為 2 x 109個/cm-2，為了要觀 察解析度更高的氧化鋅 AFM 影像，我們使用高解析度的 AFM 來觀 察島狀的氧化鋅影像。我們將試片先經過幾個小時的預先烘烤之後，
把試片放入超高真空(<10-10 torr)的腔體中，在真空度小於 10-10 torr 的 情況下，使用AFM 的矽探針進行表面形貌的掃瞄，矽探針曲率半徑 約小於10 nm，而掃瞄模式為 tapping mode。至於 HRAFM 的實驗量
20 40 60 80 100 120 140 160 180 1.8
2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0
Roughness (RMS, nm)
Number of pulses
B
測是在交大物理所林登松老師實驗室進行量測，圖 5-13 為 Y72 試片 之HRAFM 影像，其掃描的影像範圍大小分別有 2μm x 2μm、1μm x 1μm、0.5μm x 0.5μm、0.2μm x 0.2μm。從 2μm x 2μm 大小 的影像可以觀察到，對比顏色比較深的區域是Y2O3的部份，Y2O3的 整個對比非常的一致，顯示表面的粗糙度很小，而對比比較亮的區域 則為島狀氧化鋅排列的地方，因為島狀氧化鋅高度較高所以呈現亮度 較高的狀況，不過因為解析度的關係無法觀察到島狀氧化鋅詳細的形 貌，因此我們將某個區域在局部放大掃瞄，如1μm x 1μm 的掃瞄大 小所示。然後我們再將1μm x 1μm 大小的範圍取某個島狀的氧化鋅 進行更細微的的掃瞄，如0.5μm x 0.5μm 掃瞄範圍所示，可以觀察 到較深對比的部分為 Y2O3 薄膜的表面形貌，很明顯的可以觀察到 Y2O3表面微小的晶粒尺寸與形貌，而在一般的AFM 機台為因為解析 度不夠的緣故，無法觀察到平整表面的形貌，而使用HRAFM 可以看 到平整表面細微的起伏，對比較亮的島狀影像為成長於上的氧化鋅。
我們針對一個島狀的氧化鋅進行更細微的掃瞄，如0.2μm x 0.2μm 掃瞄範圍所示，由此掃瞄大小的影像，可以清楚的分辨出島狀氧化鋅 的形狀與實際尺寸，以形狀來說並不是當初一開始所預期的是島狀頂 端為六角的的形狀，分析三、四個不同方向氧化鋅的高度分佈圖之 後，發現氧化鋅的形狀為上尖下寬的形貌。由四個不同方向來計算其
島狀氧化鋅的高度大約為5～6 nm，而且氧化鋅成核情況是沿著底下 Y2O3晶粒尺寸作成長的，這顯示氧化鋅成長的狀況深受 Y2O3層的影 響。此外值得注意的是，大多成核於 Y2O3表面的島狀氧化鋅晶粒是 沿著某個特定的方向進行排列，而此特定的方向似乎與底下 Y2O3晶 粒有著很大的相關性，此方向經過推測可能為<02
2
>方向。2μm x 2μm
1μm x 1μm
0.5μm x 0.5μm
0.2μm x 0.2μm
圖 5-13 Y72 試片之 HRAFM 影像，掃瞄大小 分別為2μm x 2μm、1μm x 1μm、
0.5μm x 0.5μm、0.2μm x 0.2μm。