行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
氮化鎵/鋁表面微結構之微螢光及近場光譜特性研究
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC92-2112-M-009-022- 執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立交通大學電子物理學系(所) 計畫主持人： 李明知 共同主持人： 陳衛國，陳文雄 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 93 年 12 月 24 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
氮化鎵/鋁表面微結構之微螢光及近場光譜特性研究
計畫類別：個別型計畫
計畫編號：NSC-92-2112-M-009-022
執行期間：92 年 8 月 1 日至 93 年 7 月 31 日
執行單位：國立交通大學電子物理系
計畫主持人：李明知
共同主持人：陳衛國、陳文雄
報告類型：精簡報告
處理方式：本計畫可公開查詢
中華民國 93 年 12 月 23 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
氮化物材料及液晶配向結構之光電特性顯微偵測研究
計劃編號: NSC-92-2212-M-009-022
執行期間: 92/8/1~93/7/31
主持人：李明知 交通大學電子物理系
一、 中文摘要：
本計劃中使用低壓有機化學氣相 沉積系統於(0001)面的藍寶石基板上 成長具 V 型缺陷結構之氮化鋁鎵薄 膜，並使用本實驗室自行架設之微螢 光光譜儀、掃描表面電位顯微鏡及近 場光學顯微鏡，利用這些系統所具有 之空間解析能力，對此微結構進行光 學特性研究。 由原子力顯微鏡初步觀察 V 型缺 陷結構的尺寸分佈範圍為 0.5µm 至 2µm 之間。而微螢光光譜實驗結果顯 示，在 V 型缺陷結構中，除了具有與 平坦處相同之近帶躍遷(Inbe=337nm)之 外，並產生了額外一個新的躍遷譜峰 (Iv=350nm)。為了得到更佳的空間解析 能力，我們使用了近場光學顯微鏡來 分析單一 V 型缺陷的光譜，其結果發 現，新的躍遷譜峰其強度由邊緣向中 心逐漸增強，但近帶躍遷強度則保持 不變。除此之外，利用掃描表面電位 量測的結果也顯示其費米能階與平坦 處之差值在中心處到達最大。結合文 獻理論之計算說明，此一躍遷譜峰來 自於氮空缺的放光，因此藉由強度的 變化，我們可以獲得氮空缺在 V 型缺 陷中濃度的分佈情況。 以上研究成果業已刊登於 Applied Physics Letter 期刊中。[1]二、 英文摘要：
AlxGa1-xN thin film was grown on
undoped GaN/sapphire (0001) substrate b y m e t a l o rg a n i c c h e m i c a l v ap o r deposition. V-defects were directly observed by atomic force microscopy (AFM) with various size of 0.5µm~2µm in diameter. In a previous study, the m i cro-phot ol um i n escenc e spect r a showed an extra peak ( Iv=350 nm )
i n s i d e V - d e f e c t b e s i d e s t h e near-bandedge emission (Inbe=335 nm).
To achieve better spatial resolution, we u s ed n e a r-f i el d s c a n n i n g o p t i c al microscopy (NSOM) and scanning kelvin-force microscopy (SKM) to probe the V-defect in detail. The NSOM spectra showed that the intensity of the Iv band increased graduall y from
V-defect edges to its center, while Inbe
remained unchanged. Besides, the SKM m e a s u r e m e n t s r e v e a l e d t h a t t h e Fermi-level decreased from the flat region to V-defect center by about 0.2 eV. These results suggest that the Iv band
could be related to shallow acceptor levels, likely resulting from VGa defects.
氮化鋁鎵材料由於可以藉由長晶 參數調變，獲得不同鋁組成之氮化鋁 鎵薄膜，使得其能隙分佈可以由氮化 鎵(3.4eV)延伸至氮化鋁(6.2eV)，大幅 度 地 增 進 了 氮 化 鋁 鎵 材 料 的 應 用 範 圍。目前氮化鋁鎵已被廣泛地應用於 如：高電子遷移率電晶體(HEMT)、紫 外 光 發 光 二 極 體 、 雷 射 二 極 體 (UV-LED、UV-LD)、紫外光光檢測器 (UV-detector)..等光電元件製作，此外 更是面射型藍光雷射二極體(VCSEL) 之布拉格反射層(DBR)製作極為重要 之材料[2-3]。 由於氮化物成長於藍寶石基板， 其晶格不匹配度相差極大，無可避免 地將有差排、點缺陷…等微結構的形 成[4]，而不同種類的微結構其所擁有 的光學與電學的特性皆有所差異，因 此瞭解微結構的成因與特性對元件性 能提昇將十分有助益，此外更可進一 步運用微結構中所擁有之特殊光電特 性，發展出性能更好之光電半導體元 件。
四、 實驗步驟：
本實驗採用低壓有機金屬化學氣 相沉積系統(MOVPE)成長所需之薄膜, 首先將兩吋(0001)面之 Sapphire 基板放 入反應腔後,升高反應腔溫度至 1120℃, 通入氫氣下先進行十分鐘的熱處理,再 將 低 成 長 溫 度 至 520 ℃ 成 長 厚 度 約 25nm 之氮化鋁緩衝層,以降低氮化鋁 鎵與 Sapphire 間晶格不匹配產生之應 力。在 1120℃成長 2µm 厚之 GaN 緩衝 層後，保持 1120℃之溫度,通入 TMAl、 TMGa 及 NH3 反應氣體,成長厚度約 0.8µm 表面具有 V 型缺陷結構的氮化 鋁鎵薄膜。 樣品分析方面,使用微螢光光譜儀 (Micro-PL)觀察 V 型缺陷之光學特 性，Micro-PL 為本實驗室自行架設,使 用 Mitsutoyo 100 倍的顯微鏡頭將 325nm 雷射光聚焦至試片，其光點直 徑大小約 1.5μm。 掃描表面電位顯微鏡則使用 NT-MDT 公司之 P47H 之原子力掃描 頭搭配 Pt 金屬探針進行量測，空間解 析度約為 10nm。近場光學顯微鏡則是 利用自製高深紫外穿透之光纖探針， 外圍蒸鍍 50nm 厚之 Pt 金屬，空間解 析度可達 100nm。五、 結果與討論：
圖一為利用 Micro-PL 系統量測單 一 V 型缺陷之微螢光光譜，圖一(a)顯 示於周圍平坦處具有一近帶躍遷(near bandedge emission, NBE)，位置為 337nm。接近至 V 型缺陷兩側時開始 產生一額外的躍遷 peak，位置為 350nm，我們定義為 Iv，且其強度於位 置 0µm 時達到最強。 圖一：(a)空間分佈之微螢光光譜圖， 其中 0µm 為定義在 V 型缺陷中心(b) 相互對應之光譜量測位置。 為了提高空間解析度，我們使用 了近場光學顯微鏡來進行量測，其高 解析度使我們可以觀察其內部強度的 分佈情形。 由圖二(b)的結果顯示，NBE 的強度與 位置均無觀察明顯之變化，此結論代表鋁組成位於 V 型缺陷內並無改變， 因此 Iv peak 的來源並非來自於組成變 異所致。此外，我們亦可觀察到 Iv peak 的強度由邊緣處至中心逐漸增強(強度 變化由 0.2NBE 強度增至 2.5 倍 NBE)，由此結果可推論，其躍遷可能 是關連到一個缺陷能態的特性，且此 缺陷能態具有在 V 型缺陷中聚集的效 應。 圖二：(a)近場光學側向力回饋所得之 V 型缺陷表面形貌，其上所標示的點 為圖(b)所進行量則光譜的位置圖。圖 (b)的插圖為從邊緣至中心 NBE 強度及 Iv peak 的強度變化比較。 由掃描表面電位顯微鏡所得的 V 型缺陷結果(圖三)顯示位於 V 型缺陷 中心的電位值較平坦處低了 0.2eV 左 右，由理論可知此代表該處的費米能 階較低，表示具有額外的能態位於費 米能階之下，且能態分佈的結果與近 場結果相符。由 Jenkins 及 Tansley 等 人的理論計算指出，僅有氮空缺(VN) 此能階位置位於費米能階之下且其與 價帶之能量差(136meV)與我們實驗所 得 Iv peak 與 NBE 之間的能量差為 137meV 非常接近，且由圖四之激發強 度相關的結果顯示，NBE 與 Iv peak 皆 為 Free-to-bond 的躍遷，表示兩者為同 一個躍遷起源，均為淺層施子(shallow donor)，因此 137meV 值就是該缺陷態 與價帶的差值。所以我們將此一躍遷 歸咎於氮空缺的貢獻。 圖三：V 型缺陷結構原子力影像剖面 圖及對應電位變化 圖四：激發強度相關之螢光位置與強 度圖 最後我們也分析了不同 V 型缺陷 大小的 Micro-PL 中心強度，如圖五所 示。結果顯示，Iv peak 的強度隨著 V 型缺陷的尺寸增加時也增強，顯示氮 空缺聚集的效應更加明顯，此點亦與 表面電位的結果相符，當氮空缺態密 度增加時，費米能階向下彎曲的幅度
也增加，由費米等位面的原理來看， 此 結 果 等 同 於 導 帶 與 價 帶 的 向 上 彎 曲。 藉由這些工具的分析得知，氮空 缺是主導 350nm 躍遷的主因，其強度 則與空缺的態密度相關，且將隨著往 V 型缺陷中心或 V 型缺陷的尺寸增加而 增加。 圖五：V 型缺陷變尺寸之微螢光光譜 及表面電位差值比較圖
參考資料
1. C. S. Ku, J. M. Peng, W. C. Ke, H. Y. Huang, N. E. Tang, W. K. Chen, W. H. Chen, and M. C. Lee, Appl. Phys. Lett. 85, 2818 (2004).
2. S. Nakamura, M. Senoh and T. Mukai, Jpn. J. Appl. Phys. 32, L8(1993).
3. S. Nakamura, M. Senoh, N. Iwasa and S. Nagahama, Jpn. J. Appl. Phys.
34, L797(1995).
4. F. A. Ponce, J. S. Major, Jr., W. E. Plano, and D. F. Welch, Appl. Phys. Lett. 65, 2302(1994).
5. D. W. Jenkins and J. D. Dow, Phys. Rev. B 39, 3317 (1989).
6. T. L. Tansley and R. J. Egan, Phys. Rev. B 45, 10942 (1992).
