圖6-1 為 Y179 兩階段成長試片的 XRD 分析圖，這其中包括 XRD θ-2θ 模式圖譜、氧化鋅(0002)面 rocking curve 圖譜與氧化鋅(10
1
3)面 phi 掃瞄圖譜。由 θ-2θ 模式的圖譜可以得知氧化鋅的峰值有(0002)與 (0004)面，這代表氧化鋅成長的方向為 c 軸方向，而且 Y2O3的成長 方向為<111>方向。由氧化鋅(0002)面峰值的 rocking curve 圖譜，我 們可以得知(0002)面半高寬值為 670 arcsec。另外從 0 到 360 度的氧化 鋅(101
3)面的 phi-scan 圖譜中，觀察到六根氧化鋅(101
3)面非對稱性的繞射峰值，這六根峰值彼此差異 60 度，這代表在氧化鋅薄膜中有
Y 2O 3(444) YSZ(222)
Counts (a.u.)
2 theta (degrees)
Y 2O 3(222) YSZ(111) ZnO(0002)
20 (a)
-2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 FWHM= 670 arcsec (b)
Co unts (a.u .)
Omaga (arcsec)
圖6-1 Y179 試片之 XRD 繞射圖譜，(a) θ-2θ 模式，(b) 氧化鋅(0002) 面rocking curve，(c) 氧化鋅(10
1
3)面 phi 掃瞄(每 0.5 度為一個 step)。圖 6-2 分別為 Y173 與 Y175 試片 θ-2θ 模式圖譜、氧化鋅(0002) 面rocking curve 圖譜與氧化鋅(10
1
3)面 phi 掃瞄圖譜。從兩者 θ-2θ 模 式圖譜都可以得知氧化鋅成長方向與Y179 試片相同為 c 軸方向的成 長，量測氧化鋅(0002)面 rocking curve 半高寬值分別為 720 arcsec 與 714 arcsec，兩者的半高寬值相近，可以視為兩者的氧化鋅晶體品質 差不多一樣，其實Y173 與 Y175 試片無論是 Y2O3或者是氧化鋅成長 條件都是一樣的，此目的是為了測試氧化鋅一階段成長的再現性，所 以我們嘗試製作了兩個實驗參數一樣的試片來作比較，由 XRD 的分 析可以證明我們成長的氧化鋅有再現性。Y173 與 Y175 試片之氧化 鋅(101
3)面 phi 掃瞄也顯示兩者也具有六根彼此相差 60 度的峰值，經 過量測 Y173 與 Y175 試片之峰值半高寬值分別為 0.6180～1.0170與0 50 100 150 200 250 300 350
Counts (a .u.)
Phi (degrees)
(c)0.5990～1.0270。前面有提到峰值半高寬值也與晶體品質有著密切的關 連性，所以由此結果可以知道兩階段成長的晶體品質還是較佳。比較 氧化鋅兩階段成長與一階段成長的試片，兩階段成長的Y179 試片其 (0002)面 rocking curve 半高寬值比較小，代表兩階段成長的確對於改 善晶體品質有幫助，不過彼此的差異並沒有原先想像的來的顯著，對
YSZ(111) Y2O3(444)
C o unt s
2 theta (degrees)
173
Y2O3(222) ZnO(0002)
20 30 40 50 60 70 80
ZnO(0004)
YSZ(222)
Y2O3(222)
Co un ts
2 theta (degrees)
175
Y2O3(222) YSZ(111) ZnO(0002)
20
FWHM= 720 arcsec
-2000-1500-1000 -500 500 1000 1500 2000
Counts
Omaga (arcsec)
173
0 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000
FWHM= 714 arcsec
Counts
Omaga (arcsec)
175
圖 6-2 分別為 Y173 與 Y175 試片 θ-2θ 模式圖譜、氧化鋅(0002)面 rocking curve 圖譜與氧化鋅(10
1
3)面 phi 掃瞄圖譜(每 0.5 度為一 個 step)。AFM 表面形貌分析
圖6-3 為 Y179 兩階段成長試片，由 Y179 試片之 AFM 影像為氧 化鋅薄膜平坦的表面，其表面之粗糙度約為0.916 nm，由表面的形貌 可以推知氧化鋅為3D 島狀的成長方式，然而在表面可以觀察到許多 連續之原子級平整的台階(terraces)形貌，這些 steps 的平均高度大都 在 0.48 nm 左右，這個高度值接近氧化鋅一個 c 軸單位晶胞的高度 (0.52 nm)，因此從這裡我們推測出氧化鋅的成長是由接近一個 c 軸的 長度，呈現階梯狀的成長方式，因此薄膜表面形貌並無很大的起伏。
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Co unt s
Phi (degrees)
173
0 50 100 150 200 250 300 350 400
C ounts
Phi (degrees)
175
2D 5 μm x 5μm 3D
圖6-3 為 Y179 兩階段成長試片之 2D 與 3D AFM 影像。
TEM 薄膜結構分析
圖 6-4 分別為 Y179 試片之 TEM 明場影像、氧化鋅與 Y2O3界面 擇區繞射圖譜。由明場影像可以觀察到大部分的氧化鋅晶粒的影像對 比非常的一致，不過也發現晶粒與晶粒間有可能為差排所構成的低角 度晶界，氧化鋅的橫截面形貌為柱狀的結構。從明場影像可以測量出 氧化鋅薄膜厚度約為 595 nm，推算其氧化鋅沉積速率大約為 0.076 nm/s。由界面 SAD 圖譜可以知道氧化鋅與 Y2O3磊晶關係，其磊晶關 係為[2
11
0]ZnO//[11
0]Y2O3, (0002)ZnO//(222)Y2O3。2D 3D
1 μm x 1μm
圖6-4 分別為 Y179 試片之 TEM 明場影像、氧化鋅與 Y2O3界面擇區 繞射圖譜。
為了要觀察薄膜內部差排分佈的情況，所以 TEM 試片做傾轉的 動作至two beam 繞射條件，調整出 weak beam 明視野與暗視野繞射 對比影像。圖 6-5、6-6 分別為使用 g＝11
2
0 條件之明視野與暗視野 影像，與使用g＝0001 條件之明視野與暗視野影像。一般來說，在氧
化鋅薄膜內部可能存在三種形式之完美差排：a 形式的差排(又稱刃差
排，布格向量為1/3[112
0] )、c 形式的差排(又稱螺旋差排，布格向量 為 [0001] )、a＋c 形式的差排(又稱混合差排，布格向量為 1/3[112
3] )[2]。經過計算之後得到總差排密度大約為
2 x 1012 cm-2，而在比較接近界面的氧化鋅層差排密度很高，其原因在於氧化鋅與 Y2O3的晶格 差異與氧化鋅底層為 LT-buffer 所造成，LT-buffer 之晶體品質較差因 此導致在界面附近的差排密度很高，不過在 HT-氧化鋅層的差排密度 迅速的減少，推論由晶格差異與 LT-buffer 所造成的差排在 HT 氧化鋅
層以上的厚度大部分都被阻擋了下來，沒有繼續延伸至薄膜表面。
圖6-5 Y179 試片使用 g＝11
2
0 條件之(a)TEM weak-beam 明視野影 像，(b)TEM weak-beam 暗視野影像。(a)
(b)
圖6-6 Y179 試片使用 g＝0001 條件之(c)TEM weak-beam 明視野影 像，(d)TEM weak-beam 暗視野影像。
圖 6-7 為[0
1
1] zone 軸界面 HRTEM 影像。從界面 HRTEM 影像 可以得知氧化鋅與 Y2O3 界面非常的平整而且沒有任何的界面層產 生，這顯示在成長氧化鋅的過程中氧化鋅與 Y2O3並沒有發生互相反 應的情況，氧化鋅與Y2O3在成長溫度750 °C 都很穩定不會產生互相(a)
(b)
化合，此結果與我們在 ZnO/Y2O3/Si 上的情況相同。我們分別針對界 面附近之氧化鋅層與Y2O3層作快速傅立葉轉換(FFT)，由 FFT 與 SAD 圖譜可以得知 Y2O3(422)面平行於氧化鋅(01
1
0)面，Y2O3(422)面與氧 化鋅(011
0)面之 d 值分別為 0.216 nm 與 0.284 nm，兩者 d 值的比例 約為3：4，因此我們可以知道在 Y2O3 [211]方向兩者具有 in-plane 磊 晶的關係。而且由界面的 HRTEM 影像可以得知在 LT-buffer 氧化鋅 層具有很多的缺陷，然而在 HT-氧化鋅層缺陷迅速的減少，因此使用 LT-buffer 層可以有效的降低差排密度至 1012 cm-2。圖6-7 為 Y179 試片[0