在XRD 分析中使用 θ-2θ 模式來鑑定氧化鋅薄膜成長晶面，圖 5-1 為試片 Y33～Y44 之 XRD 繞射圖譜，所有的繞射圖譜均顯示很強的 氧化鋅(0002)面峰值，這代表氧化鋅薄膜均為 c 軸高順向性成長，不 過如此就無法比較出各個實驗參數之差異性，因此我們將相同氧氣分 壓、不同基板溫度之 XRD 圖譜合併一起比較，也將相同基板溫度、
不同氧氣分壓之 XRD 圖譜一起作比較，這樣或許可以比較出不同參 數之間的關係。
20 30 40 50 60 70 80
2 Theta, degrees
33
Y2O3(222) ZnO(0002)
20 30 40 50 60 70 80
2 Theta, degees
34
Y2O3(222) ZnO(0002) ZnO(0004)
20 30 40 50 60 70 80
2 Theta, degrees
35
Y2O3(222) ZnO(0002) ZnO(0004)
20 30 40 50 60 70 80
2 Theta, degrees
36
2 Theta, degrees
37
2 Theta, degrees
38
2 Theta, degrees
39
2 Theta, degrees
40
ZnO(0002) ZnO(0004)
圖5-1 為 Y33～Y44 試片之 θ-2θ 模式 XRD 繞射圖譜。
2 Theta, degrees
41
2 Theta, degrees
42
2 Theta, degrees
43
2 Theta, degrees
44 substrate temperature: 5000C
Counts
圖 5-3 為在固定基板溫度 500 °C 下，XRD 氧化鋅(0002)峰值相 對強度、半高寬大小、氧化鋅晶粒大小、(0002)面 d 值與不同氧分壓 之趨勢圖表、固定氧分壓1 x 10-3 torr 下不同成長溫度與(0002)面半高 寬之趨勢圖。分析(0002)面峰值的強度可以發現當氧分壓越低時峰值 的強度就越強，這顯示在低氧分壓下會成長晶體品質較佳的薄膜。分 析其(0002)面半高寬大小也有此趨勢產生。不過分析(0002)面 d 值的 大小發現氧分壓在10-2～1 torr 的範圍，(0002)面 d 值並沒有變化，可 能在氧分壓大於10-3 torr 的情況下，氧分壓的改變並不會影響到 d 值 的變化。 此外在氧分壓 10-3 torr 下，成長溫度越高其(0002)面半高寬 越小，此代表成長之薄膜品質越好。Kim 等人在固定基板溫度的情況 下改變不同的氧分壓(從 5 x 10-4 ~ 5 x 10-1 torr)研究氧分壓對成長氧化 鋅薄膜的晶體品質與PL 發光性質的影響[1]，Kim 等人得到了與本實 驗大致相似的結果，他們發現氧分壓在5 x 10-4 ~ 5 x 10-2 torr 之間有 較好的晶體品質與發光特性。另外也有一些文獻[2, 3]指出在較高的 氧分壓情形下，較多氧原子的補充可以減少氧化鋅薄膜的氧空缺，進 而增加薄膜的晶體品質。Jo 等人[4]也是針對氧分壓對於氧化鋅晶體 品質的影響進行一系列的分析，結果為當氧分壓大於一個適當的值 >
100 mtorr 時，氧化鋅的晶體品質開始變差，其原因在於氧分壓較高 的情形下多餘的氧原子形成O-H 鍵結，導致在薄膜中產生 O-H 缺陷，
而 H 原子的來源可能是殘留在成長腔體內部所貢獻的。通常來說，
在使用PLD 法成長氧化物薄膜時。薄膜成長的特性(包括成長的方向 與微結構)對於氧分壓的變化是極為敏感的，因此在成長氧化鋅薄膜 氧分壓是一個重要的實驗參數。由靶材被雷射濺鍍出來的原子與分子 團在基板表面重新排列的情況直接影響到薄膜的結晶度，成長的過程 中到達基板表面的原子必須有足夠的時間與能量藉由表面的擴散機 制遷移到能量最穩定的位置上，假如原子在表面沒有足夠的時間與能 量進行排列的話，則成長出來的薄膜品質就會不佳。原子在試片表面 的擴散機制由基板的溫度與到達表面的原子的能量來決定，至於沉積 速率則決定了原子在表面排列的時間，比較慢的沉積速率可以讓原子 有足夠的時間擴散到適當的晶格位置。在一個 PLD 的 plume 中原子 的平均能量大約為10 eV 的等級範圍[5]，在一個氧分壓較高的氣氛環 境中，較多的氧原子會讓從靶材出來的原子與分子團能量降低(原子 與分子團比較有機會在到達試片表面之前與氧原子做碰撞，導致能量 降低)，所以我們推測在較高的基板溫度(500 °C)決定氧化鋅晶體品質
的主要因素為氧分壓的多寡，較高的氧分壓會導致薄膜品質降低。在 基板溫度300 °C 的狀況下，氧化鋅(0002)面峰值強度最強的氧分壓並 不是10-3 torr 而是 10-1 torr，這代表在 300 °C 的成長溫度下，氧分壓 為10-1 torr 時成長的氧化鋅薄膜品質較佳，因此我們推測在較低的基
板溫度(300 °C)情形下，在成核階段會有較多的氧化鋅成核於試片表
圖5-3 為固定基板溫度 500 °C 下，(a) XRD 氧化鋅(0002)峰值強度、
ZnO Grain S ize
O
2Pressure (Torr)
(b)
(0002) FWHM (deg ree)
500oC
300 350 400 450 500
0.16
(0002) FWHM (degrees)
Substrate temperature (0C) PO2=1x 10-3 torr (d)
圖5-4 為氧分壓 10-3 torr 時，不同基板溫度(300 °C～500 °C)之 XRD
oxygen pressure: 10-3 torr