以濺鍍沈積法沈積以氮化鋁為緩衝層之氮化銦薄膜特性研究
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(4) 以濺鍍沈積法沈積 以氮化鋁為緩衝層之氮化銦薄膜特性研究 指導教授：藍文厚 博士 國立高雄大學電機工程學系. 學生：林子暘 國立高雄大學電機工程學系碩士班. 摘要. 本論文研究直流磁控濺鍍法(DC Magnetron Sputtering)與射頻磁控濺鍍法 (Radio Frequency Magnetron Sputtering)濺鍍以氮化鋁(Aluminum Nitride，AlN)薄 膜為緩衝層的氮化銦(Indium Nitride，InN)薄膜於康寧玻璃基板(Corning Glass 1737)上。改變緩衝層的溫度、厚度、平坦度，以及氮化銦薄膜的溫度、氮氣流 量、功率，來探討各項參數對於沈積氮化銦薄膜與緩衝層的影響。本研究中緩衝 層的加入，改善了氮化銦薄膜於玻璃基板的沈積溫度限制，緩衝層的平坦度對於 沈積不同型態的氮化銦薄膜有不同的影響。由於緩衝層的助益，能夠在 200℃沈 積出優選方向(002)且具有高電子移動率的氮化銦薄膜。. 關鍵字：氮化鋁(Aluminum Nitride)、氮化銦(Indium Nitride)、磁控濺鍍(Magnetron Sputtering)、緩衝層(Buffer Layer). - IV -.
(5) The study and characterizations of InN film with AlN buffer layer by magnetron sputtering Advisor(s): Dr. Wen-How, Lan Institute of Electronic Engineering National University of Kaohsiung. Student: Tzu-Yang, Lin Institute of Electronic Engineering National University of Kaohsiung. ABSTRACT. In this dissertation we studied the deposition of Indium Nitride and Aluminum Nitride thin-film using the DC magnetron sputtering and Radio frequency magnetron sputtering. Process parameters of deposited thin-film were studied. Systematic analysis were achieved by AFM, SEM, Hall measurement and X-ray diffraction. Surface morphology and electron Mobility were studied also. Better Indium Nitride thin-film quality with preferred orientation c-axis (002) can be achieved by Aluminum Nitride buffer-layer with temperature 200℃, and higher electron Mobility than deposited on Sapphire can be got.. Keywords: Aluminum Nitride(AlN)、Indium Nitride(InN)、Magnetron sputtering、 Buffer layer. -V-.
(6) 致謝 感謝指導教授藍文厚博士、以及施明昌博士兩位老師在這兩年對 我生活的照顧和課業的指導。老師豐富的學問及謙虛勤勉的態度更讓 我在課業及實驗上有了最佳的典範，也砥礪我以更審慎的態度去追求 學問。感謝徐海文博士於口試時給予精闢的建議，使本論文能更加嚴 謹與完整。 感謝琬淇、意玲、姿蓉在繁瑣的工作之餘，能幫忙處理許多學校 行政方面的事務以及畢業相關手續。 實驗室的順昌、世昌、明岳學長對我的照顧，學弟妹源澤、宗曄、 鈺婷等對於我實驗方面的協助。因為有了諸位，兩年的碩班生活難以 用筆墨形容，永遠銘感於心。 最後，將本論文獻給摯愛的父母親及家人。. - VI -.
(7) 目錄 中文摘要………………………………...……………………………………...………………………..………………Ⅳ 英文摘要……………………………………….……………………………………………………...…………………Ⅴ 致謝……………………………………………………………………………………………………..……………………Ⅵ 目錄………………………………………………………………………………………………………..…………………Ⅶ 表目錄……………………………………………………………………………………………………………………...Ⅹ 圖目錄………………………………………………………………………………………………………………….......Ⅹ 第一章 導論………………………………………………………………………..…………………………………1 1.1 背景介紹…………………………………………………………..……..……….………………………...1 1.2 氮化銦與氮化鋁材料特性……………...……………………………….…………………...2 1.2.1. 氮化銦材料特性………………………………………………...……………………………2. 1.2.2. 氮化鋁材料特性……………………………………………………...………………………3. 第二章 基本理論及實驗設備……..…………….………………………………………………...……...5 2.1 濺鍍基本理論……………………...…………………………………………………………………...5 2.1.1. 電漿組成……………………………………………………………………………………………5. 2.1.2. 磁控輔助……………………………………………………………………………………………6. 2.2 濺鍍系統簡介…………………...…..………………………………………………………………….6 2.2.1. 直流濺鍍法(DC Sputtering)…………………………………………….…………..6. 2.2.2. 射頻濺鍍法(RF Sputtering)…..….….……………………………………..………..6. VII.
(8) 2.2.3. 實驗系統概述………………………………………………………………..…………………7. 2.3 薄膜沈積理論………………….……………………………………………………………………….7 2.4 霍爾原理…………………………………………………………………………………..……………. …7 2.5 X-ray diffractometer 分析………………..……………..……………………………………...9 2.6 掃描式電子顯微鏡與能量散射分析儀…………………………………………10 2.7 原子力顯微鏡………………………………………………………………………………..………10 第三章 實驗方法…..…………………………………………………………………………………...………...13 3.1 實驗流程………….…………………….…………………………………………………..……………13 3.1.1. 基板清洗與表面處理…………………………………………………………...……..13. 3.2 濺鍍薄膜於康寧玻璃基板…………………………………………......……...…………..14 3.2.1. 濺鍍氮化鋁薄膜於玻璃基板………….....................................………….……..15. 3.2.2. 濺鍍氮化銦薄膜於玻璃基板以及氮化鋁緩衝層上……….....15. 第四章 實驗結果與討論……………..……………...………………………………………...…………...16 4.1 表面形貌分析……………………………………………………………..…………………………16 4.1.1. 氮化銦薄膜……………………………………………………………...……………………..16. 4.1.2. 氮化鋁薄膜…………………...………………………………………...…….………………..16. 4.1.3. 沈積於不同溫度氮化鋁緩衝層上的氮化銦薄膜…………...….17. 4.1.4. 濺鍍氮化銦薄膜氮氣流量 6sccm….………………………………….……..18. 4.2 表面形貌與電子移動率關係……………………………………………………………18. - VIII -.
(9) 4.3 緩衝層表面形貌影響………………………………………………………………….………20 4.3.1. 對射頻濺鍍氮化銦薄膜影響…………………..…………………………..……20. 4.3.2. 對直流濺鍍氮化銦薄膜影響……………………………………..…..…………20. 4.4 綜合討論………………………………………………………………………………………....………21 第五章 結論與未來工作………………...…………………………………………………...……….……23 參考文獻…………………………………………………………………………………………..……...………...........77 附錄………………………………...…………………..…………………………………………………………………….82. - IX -.
(10) 表目錄 表 4.1 射頻沈積氮化銦薄膜溫度對表面粗糙度數值表………………………25 表 4.2 於 200℃與 400℃直流濺鍍緩衝層上，成長不同溫度氮化銦薄 膜時之表面粗糙度數值表……………….……………………………………...………….26 表 4.3 氮化鋁薄膜及氮化銦薄膜溫度對 XRD 參數之比較表……..…...26. 圖目錄 圖 1.1 氮化銦六方晶系纖鋅礦結構示意圖……………………………………………...27 圖 1.2 氮化鋁變形四面體示意圖………………………………………………………………...27 圖 2.1 濺鍍系統示意圖……………………………………………………...……………………………28 圖 2.2 薄膜成長示意圖………………………………………………………………...…………………29 圖 2.3 霍爾效應示意圖………………………………………………………………………...…………30 圖 2.4 垂直片電阻測量示意圖……………………………………..………………………………31 圖 2.5 水平片電阻測量示意圖………………………………………..……………………………32 圖 2.6 霍爾量測外加正磁場示意圖……………………………………………………………33 圖 2.7 霍爾量測外加負磁場示意圖……………………………………………………………34 圖 2.8 霍爾量測系統示意圖……………………………………………………………….…………35 圖 2.9 原子力顯微鏡示意圖…………….............................................................................................36 圖 2.10 Ssk 表面傾斜度示意圖…………………………………………………………………………37. X.
(11) 圖 2.11 Sku 表面鋒度示意圖…………………………………………………...………………………...38 圖 3.1 製程流程圖…………………………………………………………………………………….………39 圖 4.1 200℃射頻濺鍍的氮化銦薄膜……………………………………….……….………...40 圖 4.2 300℃射頻濺鍍的氮化銦薄膜………………………………………………...………..40 圖 4.3 400℃射頻濺鍍的氮化銦薄膜………………………………..……………….………..41 圖 4.4 500℃射頻濺鍍的氮化銦薄膜………………………………………..……….………..41 圖 4.5 500℃射頻濺鍍氮化銦薄膜的掃描式電子顯微鏡圖………………..42 圖 4.6 不同溫度下沈積氮化銦薄膜的鋒度與斜度比較圖…………….……43 圖 4.7 直流濺鍍 200℃氮化鋁緩衝層的原子力顯微鏡圖………………..….44 圖 4.8 射頻濺鍍 400℃氮化鋁緩衝層的表面形貌………………………………….44 圖 4.9 氮化鋁薄膜頻率 1KHz 電容對電壓圖…………………………………………..45 圖 4.10 200℃氮化鋁薄膜上成長 200℃氮化銦薄膜之原子力顯微鏡 圖…………………………………………………………………………………...………………………...46 圖 4.11 200℃氮化鋁薄膜上成長 300℃氮化銦薄膜之原子力顯微鏡 圖……………………………………………………………………………………………………………..46 圖 4.12 200℃氮化鋁薄膜上成長 400℃氮化銦薄膜之原子力顯微鏡 圖…………………………………………………………………………………...………………………...47 圖 4.13 400℃氮化鋁薄膜上成長 400℃氮化銦薄膜之原子力顯微鏡 圖……………………………………………………………………………………………………………..47. - XI -.
(12) 圖 4.14 400℃氮化鋁薄膜上成長 300℃氮化銦薄膜之原子力顯微鏡 圖……………………………………………………………………………………………...……………...48 圖 4.15 400℃氮化鋁薄膜上成長 200℃氮化銦薄膜之原子力顯微鏡 圖………………………………………………………………………………...…………………………...48 圖 4.16 沈積於不同溫度氮化鋁薄膜緩衝層上的氮化銦薄膜鋒度與 斜度比較圖…………………………………………………………………………………………..49 圖 4.17 400℃射頻濺鍍氮化鋁薄膜上成長 200℃射頻濺鍍氮化銦薄 膜之掃描式電子顯微鏡圖…………………………………………….………………..50 圖 4.18 400℃射頻濺鍍氮化鋁薄膜上成長 300℃射頻濺鍍氮化銦薄 膜之掃描式電子顯微鏡圖…………………………………..…………………………..51 圖 4.19 400℃射頻濺鍍氮化鋁薄膜上成長 400℃射頻濺鍍氮化銦薄 膜之掃描式電子顯微鏡圖………………………………………………….…………...52 圖 4.20 400℃射頻濺鍍氮化鋁薄膜上成長 500℃射頻濺鍍氮化銦薄 膜之掃描式電子顯微鏡圖……………………………………………………….……...53 圖 4.21 於直流濺鍍氮化鋁緩衝層上，射頻濺鍍 400℃、6sccm 氮化 銦薄膜之掃描式電子顯微鏡圖……………………………………………...……...54 圖 4.22 於直流濺鍍氮化鋁緩衝層上，射頻濺鍍 200℃、6sccm 氮化 銦薄膜之掃描式電子顯微鏡圖…………………………………...………………...55. - XII -.
(13) 圖 4.23 於直流濺鍍氮化鋁緩衝層上，射頻濺鍍 200℃、6sccm 氮化 銦薄膜之原子力顯微鏡圖……………………………….……………………………...56 圖 4.24 不同溫度下射頻濺鍍氮化銦薄膜電子移動率與濃度比較 圖…………………………………………………………………………...………………………………...57 圖 4.25 沈積於 200℃氮化鋁薄膜緩衝層上的氮化銦薄膜之電子移動 率與濃度之比較圖射頻濺鍍氮化銦薄膜之電子移動率與濃 度關係圖…………………………………………………………………..…………………………...58 圖 4.26 沈積於 400℃氮化鋁薄膜緩衝層上的氮化銦薄膜之電子移動 率與濃度之比較圖……………………………………………………………..……………...59 圖 4.27 在射頻濺鍍氮化鋁薄膜緩衝層上，成長不同溫度的射頻濺鍍 氮化銦薄膜之電子移動率與濃度關係圖………………………...………...60 圖 4.28 在 400℃氮化鋁薄膜上，通入 6sccm 濺鍍沈積氮化銦薄膜之 電子遷移率與濃度比較圖……………………………………………….……………...61 圖 4.29 在 200℃氮化鋁薄膜上成長 200℃氮化銦薄膜之 XRD 圖……62 圖 4.30 在 200℃氮化鋁薄膜上成長 300℃氮化銦薄膜之 XRD 圖……63 圖 4.31 在 200℃氮化鋁薄膜上成長 400℃氮化銦薄膜之 XRD 圖……64 圖 4.32 在 400℃氮化鋁薄膜上成長 400℃氮化銦薄膜之 XRD 圖……65 圖 4.33 在 400℃氮化鋁薄膜上成長 300℃氮化銦薄膜之 XRD 圖……66 圖 4.34 200℃濺鍍氮化銦之 XRD 圖……………………...………………………………...…67. - XIII -.
(14) 圖 4.35 在準分子脈衝雷射濺鍍氮化鋁緩衝層上成長氮化銦薄膜之電 子移動率與濃度比較圖…………………………………………………………………...68 圖 4.36 在直流濺鍍緩衝層上成長直流濺鍍氮化銦薄膜時改變氮氣 流量所得之電子移動率與濃度關係圖…………………………………..…...69 圖 4.37 在直流濺鍍緩衝層上成長不同溫度的直流濺鍍氮化銦薄膜 之電子移動率與濃度關係圖……………………………………………..…………...70 圖 4.38 在射頻濺鍍氮化鋁薄膜上，以不同溫度直流濺鍍氮化銦薄膜 之電子移動率與濃度圖…………………………………………………………………...71 圖 4.39 在射頻濺鍍氮化鋁薄膜上，成長 400℃直流濺鍍氮化銦薄膜 的原子力顯微鏡圖………………………………………………………………………..…...72 圖 4.40 在射頻濺鍍氮化鋁薄膜上，成長 300℃直流濺鍍氮化銦薄膜 的原子力顯微鏡圖………………………………………………………………………..…...72 圖 4.41 在射頻濺鍍氮化鋁薄膜上，成長 200℃直流濺鍍氮化銦薄膜 的原子力顯微鏡圖……………………………………………………………………...……..73 圖 4.42 在射頻濺鍍氮化鋁薄膜上，成長 400℃直流濺鍍氮化銦薄膜 的電子顯微鏡圖……………………………………………………………………….………...74 圖 4.43 在射頻濺鍍氮化鋁薄膜上，成長 300℃直流濺鍍氮化銦薄膜 的電子顯微鏡圖…………………………………………………………………………….…...75. - XIV -.
(15) 圖 4.44 在射頻濺鍍氮化鋁薄膜上，成長 200℃直流濺鍍氮化銦薄膜 的電子顯微鏡圖……………………………………………………………………….………...76. - XV -.
(16) 第一章 導論 1.1 背景介紹 近年來三族氮化物成為構成發光二極體(LEDs)[1][2]、光偵測器 [3][4]及高速電子元件[5][6]的熱門研究材料。尤其是氮化鎵(Gallium Nitride，GaN)與其相關的化合物半導體，這是由於氮化鎵為直接能隙 的半導體材料，且其能隙值為 3.4eV，因此成為近紫外光、藍光等的 適合材料，且因為其載子移動性良好，也適合作為高頻電子元件的材 料。 三族氮化物中氮化銦(Indium Nitride，InN)的研究近幾年受到許 多研究團隊的積極重視。原因是修正了氮化銦的能隙(Energy Band Gap)約為 0.69eV[7][8]，而非早期所認為的 2.0eV[9]。這樣一來氮化 銦 0.69eV、氮化鎵 3.4eV 和氮化鋁(Aluminum Nitride，AlN) 6.2eV 形 成了能涵蓋紅外到紫外光的波段[10][11]，例如改變氮化銦鎵中 (InXGa1-XN)銦與鎵的比例並將其排列，便可以形成涵蓋太陽主要發光 波段的寬光譜，若能以高效率將光能轉換成電能，便能成為相當合適 的太陽能電池材料。本研究主要探討如何以康寧玻璃(Corning glass 1737)為基板材料濺鍍氮化銦薄膜，得到薄膜品質佳，且擁有與沉積 於藍寶石基板(Sapphire)上之薄膜相近的光電特性，期能增廣氮化銦 薄膜於光電元件的應用度。. 1.
(17) 1.2 氮化銦與氮化鋁材料特性 1.2.1 氮化銦材料特性 氮化銦結構為六方晶系的纖鋅礦(Hexagonal Wurtzite)結構如圖 1.1，其晶格常數為 a0=3.533Å，C0=5.693Å[12]。 文獻[13]中預測氮化 銦的有效質量(effective mass)為所有三族氮化物中最低的，氮化銦在 室溫下的電子遷移率最高值能達到 4000 cm2/V・sec，相對氮化鎵電 子移動率 1000 cm2/ V・sec 高出不少。文獻[14]更指出在 77K 環境下， 氮化銦可達到 30000 cm2/ V・sec，氮化鎵僅達到 6000 cm2/ V・sec。 在三五族氮化物的漂移速度理論值中，氮化銦有最高的理論峰值漂移 速度(peak drift velocity)[15]為 4.2×107cm/s，氮化鎵為 2.9×107cm/s，氮 化鋁為 1.7×107cm/s，砷化鎵則為 1.6×107cm/s。由於這些物理特性， 使得氮化銦在高頻元件以及高速電子元件上有著很大的應用空間。 由於以往使用蒸鍍、化學反應、濺鍍等易形成多晶系(poly-crystal) 及非晶系(amorphous)的情形，早期普遍接受氮化銦能隙為 2.0eV。造 成此現象主要是成長單晶氮化銦有其困難處，因為氮化銦的熱分解溫 度約為 650℃，所以限制氮化銦的成長溫度必須在低溫的環境下，但 是一般常用的有機金屬化學氣相沈積法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)使用氮氣源多半以氨氣(NH3)來裂解，且 其裂解率隨著溫度升高而增加。如此一來必須精準的控制氮化銦的成. 2.
(18) 長溫度，才能獲得高品質的氮化銦薄膜。 若以分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy，MBE)成長氮化銦， 不論以氮氣或氨氣為氮源的反應性皆不佳。必須要再額外輔以 Radio-Frequency(RF)[16]或 Electron Cyclotron Resonance(ECR)等以電 漿助長使氮氣形成氮自由基，且還需一個正偏壓的電場來減少剩餘氧 和氮自由基形成 NO2+或 NO+，如此才能長出高品質的氮化銦單晶 (single-crystal)薄膜。隨著製程技術的進步，目前已經可以成長出高品 質的氮化銦薄膜，因此也將氮化銦的能隙減低至 0.7eV 左右。 相較之下，本研究選用的濺鍍沈積法較為簡易且低成本，僅需要 通入反應氣體氮氣，利用電場產生電漿，因氮自由基反應較高，即可 以在低溫下進行薄膜成長。再輔以磁場加強電漿密度，即可提昇濺鍍 沈積的速率。 1.2.2 氮化鋁材料特性 氮化鋁為熱傳導性佳的人造陶瓷材料，結構上為四個氮原子與中 心的鋁原子組合成變形四形體(Distorted tetrahedron)如圖 1.2 所示，其 中除了方向<001>的鋁-氮鍵較長以外，其餘三鍵長度相等，如圖 1.1 所示[17][18]。原子間主要以共價鍵結合，為六方晶系的纖鋅礦結構， 晶格常數 a0=3.111Å，C0=4.980Å[12]。因為共價鍵強度極強使得氮化 鋁具備高熔點 3273K 以上，為少數具有高熱傳導綠的非金屬固體。. 3.
(19) 氮化鋁能隙為 6.2eV 且極為安定，因此可作為半導體絕緣層材料或保 護層。. 4.
(20) 第二章 基本理論與實驗設備 2.1 濺鍍基本理論 在真空系統中，欲濺鍍的物質稱靶材(Target)，將其放置於負電位 (Cathode)；欲沈積的基板稱(Substrate)，將其放置於正電位(Anode)。 在此兩電極間施以一高壓電場，此時若兩電極間的氣體分子濃度剛好 達到產生電漿(plasma)的條件，就會在此區間產生電漿，利用離子化 後的氣體轟擊靶材表面的原子[19]，被轟擊出的濺射原子再與製程氣 體反應並沈積於基板上，此種利用動量轉換原理將材料濺擊到基板沈 積的過程就稱為濺鍍(Sputter)。 2.1.1 電漿組成 電漿的產生是由於通入的少量氣體在高壓電場下獲得足夠能 量，使得氣體分子及原子產生解離(Dissociation)、離子化(Ionization) 與激發(Excitation)等反應[20]，經解離後產生更多游離電子，又獲得 能量去引發其他的離子化過程，如此連串的效應就會在高真空系統中 產生大量的離子化氣體與電子，而由於被激發的粒子也會回到基態而 以光的形式將能量釋放，因此電漿持續發光表示反應持續穩定的進 行。而真空系統主要是增加分子間的平均自由路徑(Mean Free Path)， 使得電子有更長的加速距離來獲得足夠的能量，但也由於平均自由路 徑增長，表示單位體積內的氣體分子數下降，電漿的離子濃度隨之下. 5.
(21) 降，導致濺鍍速率變慢。 2.1.2 磁控輔助 磁控濺鍍沈積法(Magnetron Sputtering Deposition) [21]改善了濺 鍍速率緩慢的缺點，由於磁場與電場交互作用，使得電子在電漿內呈 現螺旋狀運動，增加與氣體分子間碰撞次數，使得離子化的情形不至 於減少。 2.2 濺鍍系統簡介 濺鍍系統依照供應電源的不同可分為直流濺鍍以及射頻濺鍍；選 擇的條件為靶材導電與否，直流濺鍍僅能適用於導體而射頻濺鍍則沒 有限制性。 2.2.1 直流濺鍍法(DC Sputtering) 直流濺鍍就是在基板與靶材兩邊施以一個固定偏壓，正電位接於 基板；負電位接於靶材。兩者間的固定偏壓使得氣體分子離子化形成 電漿來進行動量轉移過程。直流濺鍍法簡單但是最大的缺點是不能用 於導體外的靶材。因為當非導體放至於負電位，隨著時間增加會有越 來越多游離的正離子累積在靶材表面，而導致離子無法再濺擊靶材表 面，使得濺鍍過程中斷。 2.2.2 射頻濺鍍法(RF Sputtering) 射頻濺鍍是在基板與靶材間接上射頻(Radio Frequency)，一般頻. 6.
(22) 率為 13.56MHz 的電源，因為在射頻電源的交互電場作用下，置於負 電位的靶材在電源處於正電位時兩者相互抵消，而在電源處於負電位 時在疊加了兩者的電位，使得離子加速且轟擊表面產生濺鍍結果。且 可以消除直流濺鍍法靶材非導體不能使用的缺點，因為靶材電位的改 變會消除濺鍍過程中累積的游離離子聚集於表面的情形。 2.2.3 實驗系統概述 本研究中因為銦靶材和鋁靶材均導電所以兩電源供應方式皆可 以使用。主系統使用的是磁控式濺鍍沈積法，搭配兩支濺鍍槍，可以 因應不同的靶材而進行更換。系統內有兩支石英加熱燈管，可以穩定 加熱到約 550℃左右。抽氣幫浦使用渦輪分子幫浦(Turbo molecular Pump)，其能將腔體壓力抽至 1.5×10-6torr。系統示意如圖 2.1。 2.3 薄膜沈積理論 薄膜的成長是一連串複雜的過程[22]。首先為(1)濺擊出來的原子 吸附於基板(adsorption)；(2)吸附原子間的遷移(Migration)；(3)造成彼 此間碰撞成核(Nucleation)；(4)成核後成長為小晶粒(Grain-Growth)； (5)晶粒間相互連接且填補之間的縫隙(Filling of Channel)。薄膜成長 示意如圖2.2。 2.4 霍爾原理 霍爾效應的基本原理是建立在勞倫茲力（Lorentz force）上，當. 7.
(23) 電子沿著垂直外加磁場的方向移動，受到垂直作用力，此力和磁場的 大小有關[23]。 若考慮一 p 型半導體，如圖 2.3，供應電流 I 朝正 x 軸方向流動， 外加磁場為正 z 軸方向。當電流通過一個有外加磁場下的材料時，材 料內的載子會受到此外加磁場以及電流建立的橫向電壓影響而偏 移，並且堆積在同時垂直電流入射與外加磁場的方向，形成一個偏 壓，當累積載子越來越多的時候偏壓也隨之加大，直到載子受此偏壓 的電力和外加磁場磁力相互抵消時，稱此時的偏壓為霍爾電壓 VH。 目前常使用的 Van der Pauw 量測法[24]可量測樣品的電阻率、載 子濃度和遷移率，較不受樣品幾何形狀的限制，只要樣品符合以下條 件： (1) 接觸是在樣品的周邊上。 (2) 接觸點足夠地小(小於邊長的六分之一)。 (3) 樣品厚度很均勻。 (4) 樣品表面很平坦。 由於不受幾何形狀限制的優點，且只需四點量測點，Van der Pauw量 測法成為霍爾量測最普遍的方法。首先在垂直方向取四組數據平均計 算垂直的片電阻 Rv ，水平方向亦取四組數據平均計算水平的片電阻. Rh ，如圖2.4、2.5所示。將兩平均的片電阻值帶入下列公式中求得修 8.
(24) 正因子F。. Rv − Rh F a cosh[e(ln 2 / F ) ] = ×{ } Rv + Rh ln 2 2. (3.1). 若樣品為完全對稱，則F=1。 如示意圖2.6、2.7，在外加正磁場和負磁場的情況下所量得的電阻值 分別為 Rm + 、 Rm − ，其中電阻係數 ρ ，霍爾係數 RH ，霍爾移動率 μ 和 載子濃度 n 等四組數據可表示為. ρ =. πd. ⎛ Rv + Rh ⎞ ×⎜ ⎟× F ln 2 ⎝ 2 ⎠. (3.2). ⎛ R − Rm + ⎞ RH = ⎜ m − ⎟× d B ⎝ ⎠. (3.3). μ=. RH. ρ. (3.4). n=. 1 qRH. (3.5). 本研究採用Van der Pauw量測法，使用儀器為KEITHLEY 2420及 自行架設的量測套件，示意圖如圖2.8，磁場強度約為0.34特斯拉，量 測溫度為室溫，量測樣品在切割上以切成正方形為佳，於各角落焊銦 點作為接點並將樣品置於樣品載板上，利用電壓電流控制盒與 KEITHLEY 2420的四點量測法搭配量測。 2.5 X-ray diffractometer(XRD)分析 X-ray繞射分析是一種非破壞性的分析，可以提供我們有關薄膜材 9.
(25) 料的組成分析與相分析[25]。晶體是在空間中由原子或原子團規則排 列的固體，當X-ray射入晶體時會被原子散射，產生繞射現象。在量 測的過程中，由X-ray diffractometer的偵測器收集訊號後，得到待測 薄膜的繞射圖，可以從布拉格繞射定律（λ＝2d(sinθ)），經過此晶相 鑑定後，便可分析出薄膜材料的結晶結構。 2.6 掃描式電子顯微鏡與能量散射分析儀 掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）的工作 原理[25]，是由電子槍產生電子束後，經過高壓加速通過電磁透鏡組 （condenser lens）、掃描線圈與屏蔽孔徑，聚焦在樣品表面，激發出 二次電子訊號，偵測器收集訊號並放大後，同步成像於螢幕上。 能量散射分析儀（Energy Dispersive Spectrometers，EDS），常會 附加在SEM系統中，利用擴散鋰原子的矽晶偵測器，在低溫下操作接 收被電子束激發出來的X-ray，再經放大、分析其所對應的元素。 2.7 原子力顯微鏡 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)是由 Binning、 Quate 及 Gerber 於 1986 年所提出[26]。其在科學應用上已廣為應用 於奈米尺度的顯微分析，對奈米科技有直接的助益。原子力顯微鏡屬 於掃描探針顯微技術(Scanning Probe Microscopy，SPM)的一種，具有 原子級解像能力，不僅僅可應用於材料表面的檢測，並能在真空、氣. 10.
(26) 體或液體環境下量測樣品。此類技術均是利用特製的微小探針來做量 測，其針尖尖端直徑介於 20nm 至 100nm 之間。原子力顯微鏡所使用 的探針，一般由 Si 或 Si3N4 懸臂樑(cantilever)及針尖所組成。藉由針 尖與試片間的原子作用力，使懸臂樑產生微細位移，再利用光槓桿偵 測技術，可偵測到 Å 級的高度變化，並以角度偏折量、振幅及相位 差等物理量呈現，來偵測探針與樣品表面之間的交互作用，如圖 2.9。 為了讓探針與樣品間的距離在掃瞄過程中維持固定，利用記錄掃瞄面 上每點的垂直微調距離來換算表面作用力的變化，通常使用一個具有 三軸位移的壓電陶瓷掃瞄器，使探針在樣品表面做左右前後掃瞄時， 借助壓電陶瓷的垂直微調能力及迴饋電路，使探針與樣品距離維持固 定並紀錄各點距離變化，這些資料可用來反向推算樣品表面特性。 AFM 的操作模式可分為三大類，接觸式、非接觸式和間歇式。本 研究採間歇接觸式（亦稱輕敲式，intermittent contactor tapping） ，乃 是介於接觸式與非接觸式之間。掃描時探針以高頻在 Z 方向振動，且 在每一週期的振動底部和樣品觸碰一次，因此有了接觸式模式的精確 度，而又不會因為過大的作用力而損壞表面 [27][28]。由於原子力顯 微鏡具有原子級的解析度且對於樣品掃描時，會將樣品每點的高低值 紀錄起來，因此在獲得初步掃描圖形後，可以利用分析軟體對資料分 析，來獲得表面粗糙度等數據，是各種薄膜粗糙度檢測，及微觀表面. 11.
(27) 結構研究的重要工具。 本研究樣品所掃描的頻率設定在 0.1Hz，掃描範圍固定於 5120nm2。 以下列出本研究用到表面粗糙度參數的計算方式以及示意圖： Sa 值表示表面平均粗糙度(Surface Average，Sa). Sa. M −1 N −1. 1 = MN. 1 μ= MN. ∑ ∑. k =0 l=0. z (x k , y l ) − μ. (3.6). M −1 N −1. ∑∑ z (x , y ) k. k =0 l =0. (3.7). l. Sq 值為表面粗糙度方均根植(Root Mean Square，Sq) Sq =. 1 MN. M −1 N −1. ∑ ∑ [z (x k =0 l=0. k. , yl )− μ ]. 2. (3.8). Ssk 值為表面傾斜度(Surface Skewness，Ssk)如示意圖 2.10. S sk. 1 = MNSq. M −1 N −1 3. ∑ ∑ [z (x k =0 l=0. k. , yl )− μ. 3. ]. (3.9). Sku 為表面鋒度(Surface Kurtosis，Sku)如示意圖 2.11. S ku. 1 = MNSq. M −1 N −1 4. ∑ ∑ [z (x k =0 l=0. k. , yl )− μ. 4. ]. (3.10). 其中 Z 表示各點高度值，M、N 為掃描範圍， μ 為樣品平均高度。. 12.
(28) 第三章 實驗方法 3.1 實驗流程 本實驗流程主分為三大部份：(1)基板清洗與表面處理；(2)濺鍍薄 膜於基板；(3)薄膜分析。示意圖如圖 3.1 3.1.1 基板清洗與表面處理 由於本研究中主要使用康寧玻璃當作基板來濺鍍薄膜，另外有少 部份 Si(111)基板、氧化銦錫玻璃(ITO glass)和藍寶石基板。對於此四 種基板，一律皆有採用去除有機物的方法清洗，另外再對於康寧玻璃 基板採個別表面處理。 有機物的清洗： (1). 將基板放入丙酮溶液中，使用超音波震盪機震盪 3 分鐘。. (2). 將基板放入甲醇溶液中，使用超音波震盪機震盪 3 分鐘。. (3). 將基板放入去離子水溶液，使用超音波震盪機震盪 3 分鐘。. (4). 將基板夾出並以氮氣吹除表面殘存的水珠。. 做完了有機物清洗步驟，Si(111)基板、氧化銦錫基板與藍寶石基 板即送入烤箱中烘烤 110℃五分鐘的時間去除剩餘水分。 康寧玻璃基板在清洗過程後，使用 1：10 的稀釋鹽酸溶液 (HCl:H2O=1:10)浸泡基板 30 秒，取出並沖水三分鐘，再以氮氣吹乾 表面。可以減少沈積薄膜表面剝落(peeling)的可能性。. 13.
(29) 3.2 濺鍍薄膜於康寧玻璃基板 本研究中對於沈積氮化鋁薄膜與氮化銦薄膜之各項條件進行調 變，以期能在康寧玻璃基板上沈積出具有良好電性的氮化銦薄膜。 進行濺鍍過程前需要注意的是腔體背景真空度，由於每次實驗後 都需要將腔體破真空來取出樣品，所以腔體內並不是持續維持在高真 空的狀態，因此每次在進行實驗時，必須持續將腔體壓力抽至 3.0×10-6torr 以下，使得腔體內氧氣及水氣含量都維持極低的狀態。接 下來需預先設定溫度來加熱腔體，使腔體內的溫度達到穩定狀態。 另外在每次濺鍍前，先利用擋板(Shutter)放置於靶材與基板之 間，讓前期濺鍍出來的薄膜沈積於擋板上，經過十分鐘左右，再將擋 板移開進行濺鍍，使得前次濺鍍所產生的非預期產物先行濺鍍於擋 板，如此才能盡量保持靶材表面成份的相似度。 進行濺鍍步驟後降溫是由於本研究中是使用石英燈管加熱基板 背部，因此在進行濺鍍沈積時，基板表面溫度與背面溫度因為電漿轟 擊的關係並不會相差太多；但是反應進行完以後若立即通入氮氣破真 空(VENT)，則有可能因為基板與薄膜表面溫差導致薄膜破裂或剝 落，或者是石英燈管在高溫狀態下遇到室溫的氮氣而造成破裂。因此 在進行完每次的實驗後，都先持續通入微量的製程氮氣使得溫度緩慢 下降至低於 100℃左右再進行破真空的動作，來確保系統以及實驗樣. 14.
(30) 品不至於損壞。 3.2.1 濺鍍氮化鋁薄膜於玻璃基板 氮化鋁在此研究中主要是當作緩衝層(buffer layer)或介質層 (intermediate layer)來使用，因為它與氮化銦的晶格不匹配(Lattice Mismatch)約為 13%，為六方晶系的纖鋅礦中最低的。另一方面由於 玻璃基板本身為氧化矽(SiO2)組成，在介面反應處極容易釋放出氧原 子來影響薄膜成長，若能利用氮化鋁薄膜阻絕氧原子影響氮化銦薄膜 成長，則是另一項優點。 濺鍍氮化鋁薄膜的步驟請參考附錄。. 3.2.2 濺鍍氮化銦薄膜於玻璃基板以及氮化鋁緩衝層上 沈積氮化銦薄膜於玻璃基板上最直接的問題是介面容易形成氧 化銦薄膜，因此變換不同的實驗參數與使用氮化鋁緩衝層來提高薄膜 品質。 濺鍍氮化銦薄膜的步驟請參考附錄。. 15.
(31) 第四章 實驗結果與討論 4.1 表面形貌(Topography)分析 4.1.1 氮化銦薄膜 利用原子力顯微鏡來分析樣品表面形貌，圖 4.1~4.4 分別為不同 溫度下濺鍍沈積氮化銦薄膜於康寧玻璃基板上的原子力顯微鏡圖。圖 4.1、4.2、4.3 皆顯示表面有小尖錐狀的突起，與文獻[29][30]相似。 圖 4.4 為表面有許多陷落[31]，圖 4.5 為對照的掃描式電子顯微鏡圖。 表 4.1 為經過軟體計算後所得的表面形貌數據。由圖 4.6 可看出，表 面鋒度隨著溫度上升而逐漸下降，至 500℃時鋒度上升。表面傾斜度 則是 200℃～400℃時值為正，表示表面為突起；500℃則為負值，表 示 500℃產生陷落的比率甚高。此與文獻[31]中，經過 550℃退火後 產生凹陷的現象相符。 4.1.2 氮化鋁薄膜 直流濺鍍氮化鋁薄膜會在表面產生明顯環型干涉條紋，而射頻濺 鍍氮化鋁薄膜則沒有此現象。推估是由於直流濺鍍時電漿較為集中， 因此在小範圍內的沈積厚度落差甚大所產生的結果。 圖 4.7 顯示直流濺鍍 200℃氮化鋁緩衝層的表面形貌，所沈積的 高度落差約 17nm，顯示沈積的薄膜表面並不均勻。 圖 4.8 則為射頻濺鍍 400℃氮化鋁緩衝層的表面形貌，可看到有. 16.
(32) 些非常突出的小尖錐，但大致上是平坦的薄膜表面。顯示射頻濺鍍所 成長氮化鋁薄膜表面平整度高於直流濺鍍成長的氮化鋁薄膜。 射頻濺鍍氮化鋁薄膜於 Si(111)基板上，量測其高低頻特性並計算 介電係數。在低頻 1KHz 時所量得的圖形為圖 4.9。使用銦球直徑大 約 0.5mm，AlN 薄膜經過 Alphastep 量測後估計約 3000Å。 低頻時 Cox=45.266pF，經過計算後得到 AlN 介電係數 K=7.8113。 此數據與文獻[32]中，介電係數 K=7.9 近似。 4.1.3 沈積於不同溫度氮化鋁緩衝層上的氮化銦薄膜 圖 4.10~4.15 為 200℃與 400℃直流濺鍍緩衝層上成長不同溫度氮 化銦薄膜時的原子力顯微鏡圖，掃描表面形貌所獲得的數據列於表 4.2。由圖 4.16 發現，不論是 200℃緩衝層或者是 400℃緩衝層，沈積 於其上的氮化銦薄膜表面斜度皆為正值，也就是表示表面為突起貌， 且鋒度在 200℃及 400℃的值均高於 300℃，顯示氮化銦薄膜表面的 突起形貌在 200℃及 400℃較為明顯。 圖 4.17~4.20 為射頻濺鍍氮化鋁薄膜上，濺鍍不同溫度氮化銦薄 膜的掃描式電子顯微鏡圖，溫度由低而高發現由本來較無高低起伏的 表面逐漸結球成為顆粒狀的表面。且 500℃氮化銦薄膜(圖 4.20)並沒 有出現如未加緩衝層的 500℃氮化銦薄膜(圖 4.4)產生陷落的情形，可 能是緩衝層改善了氮化銦薄膜沈積時溫度過高易產生陷落的結果。. 17.
(33) 4.1.4 濺鍍氮化銦薄膜氮氣流量 6sccm 圖 4.21 為在氮化鋁緩衝層上，沈積溫度為 400℃，氮氣流量 6sccm，射頻濺鍍氮化銦薄膜的掃描式電子顯微鏡圖。此樣品與高溫 低流量的氮化銦薄膜(圖 4.19)，表面形貌截然不同，圖 4.21 為三維方 向成長且無一致方向的表面，與文獻[33]類似，而圖 4.22 則為在氮化 鋁緩衝層上，沈積溫度為 200℃，氮氣流量 6sccm，射頻濺鍍氮化銦 薄膜的掃描式電子顯微鏡圖，表面形貌也不同於低溫低流量的樣品 (圖 4.17)。200℃的氮化銦薄膜經由原子力顯微鏡圖 4.23 顯示表面產 生了陷落。可能因為過多的氧氣量且表面能量較低的情況下，造成表 面的缺陷增加。 4.2 表面形貌與電子移動率關係 圖 4.24 為不同溫度下射頻濺鍍氮化銦薄膜電子移動率(Mobility， µ)與濃度(Carrier Concentration)比較圖，發現隨著溫度上升電子移動 率下降，並且 500℃左右無法量得電子移動率，此與鋒度趨勢相同。 推論氮化銦表面形貌與其電子移動率有相關聯性，即鋒度越高其電子 移動率越高。500℃的氮化銦薄膜則電子移動率過低而無法量測，亦 與文獻[31]提到退火 550℃出現電子移動率下降的現象類似，造成電 子移動濾過低無法量測可能是缺陷過多所造成。 圖 4.25 顯示，沈積於 200℃緩衝層上的氮化銦薄膜，溫度對電子. 18.
(34) 移動率的趨勢與溫度對表面形貌鋒度趨勢相同，300℃氮化銦薄膜之 鋒度與電子移動率為最低。圖 4.26 亦顯示在 400℃緩衝層上，以不同 溫度沈積的氮化銦薄膜鋒度與電子移動率的趨勢相同。 圖 4.27 則為在射頻濺鍍氮化鋁薄膜上，濺鍍不同溫度氮化銦薄膜 的 Mobility 與 Carrier Concentration 比較圖，顯示在 500℃時仍有 4.46 cm2/ V・sec，且 500℃(圖 4.20)未看到陷落產生，表示氮化鋁緩衝層 減少了缺陷的產生也提昇了電子移動率。但以 200℃時氮化銦薄膜電 子移動率來看，緩衝層為射頻濺鍍的氮化鋁薄膜相對比起直流濺鍍氮 化鋁薄膜的緩衝層反而較低，此現象容後討論。 圖 4.28 為通入較多氮氣流量時沈積的氮化銦薄膜電子遷移率與 濃度比較圖，顯示 200℃電子移動率僅 0.17 cm2/ V・sec 且載子濃度 為 1.32E+22cm-1，與圖 4.23 中有陷落存在的情形符合。400℃電子移 動率高達 25.42 cm2/ V・sec，載子濃度為 7.76E+20 cm-1，表示三維方 向成長的氮化銦薄膜也有不錯的電子移動率。 使用 XRD 圖來分析改變溫度對於氮化鋁及氮化銦薄膜晶格結構 特性的影響，見圖 4.29~4.33。首先我們可以看到成長出來的薄膜屬 於多晶結構[34]，且在 31.36°出現一個極大的峰值，此為 InN(002)； 其餘的峰值出現於 28.96°為 InN(100)、57.01°為 InN(103)及 65.39°為 InN(004)。並沒有文獻[35]所提到的 200℃成長的氮化銦晶相比較複雜. 19.
(35) 的情形，如圖 4.34。可能是由於濺鍍氮化銦薄膜改用射頻濺鍍，且氮 氣流量降低，因此薄膜成長速率降低改善晶相複雜的現象。此系列的 XRD 極大峰值比較與 FWHM 列於表 4.3。 4.3 緩衝層表面形貌影響 4.3.1 對射頻濺鍍氮化銦薄膜影響 就 200℃氮化銦薄膜電子移動率來看，圖 4.25、圖 4.26 及圖 4.27 中緩衝層為射頻濺鍍的氮化鋁薄膜相對比起直流濺鍍氮化鋁薄膜的 緩衝層反而較低，加上圖 4.35 以準分子脈衝雷射濺鍍的緩衝層沈積 的氮化銦薄膜一起比較，可發現在均勻平坦緩衝層上射頻濺鍍氮化銦 薄膜電子移動率皆略低於在較不平整的緩衝層上所長成的氮化銦薄 膜。。 4.3.2 對直流濺鍍氮化銦薄膜影響 先討論直流濺鍍氮化鋁薄膜的情況，由圖 4.36 可以發現，沈積 氮化銦薄膜的氮氣流量在 2sccm 時電子移動率達到 5.6 cm2/ V・sec， 也在此觀察到在 6sccm 的電子移動率比 5sccm 有些微的升高。圖 4.37 表示改變沈積溫度對於電子移動率及濃度的影響，發現在 200℃時電 子移動率為 9.08 cm2/ V・sec，為直流濺鍍氮化鋁薄膜緩衝層上濺鍍 直流氮化銦的最高值。 而在射頻濺鍍氮化鋁薄膜上，直流濺鍍氮化銦薄膜，由圖 4.38 可. 20.
(36) 以看出電子移動率隨著溫度上升而下降，200℃沈積的氮化銦薄膜電 子移動率達 37.06 cm2/ V・sec，且 400℃的電子移動率亦有 22.09 cm2/ V・sec。原子力顯微鏡圖 4.39、4.40、4.41 分別為不同溫度下的氮化 銦薄膜，可明顯看出表面形貌的轉變，圖 4.42、4.43 和 4.44 則為相 對的掃描式電子顯微鏡圖。由此發現，氮化鋁表面形貌平坦與否對應 直流濺鍍與射頻濺鍍氮化銦電子移動率的趨勢不同。即使用緩衝層為 平坦的氮化鋁薄膜，其上直流濺鍍的氮化銦薄膜電子移動率比射頻濺 鍍的氮化銦薄膜要來的高；若緩衝層使用表面較為不平整的氮化鋁薄 膜，則射頻濺鍍的氮化銦薄膜電子移動率則高於直流濺鍍的氮化銦薄 膜。 4.4 綜合討論 最後在此作整個系列實驗的討論。本研究發現氮化銦薄膜表面形 貌(鋒度、斜度)與其薄膜電子移動率擁有相同的趨勢，鋒度較高的氮 化銦薄膜對應較高的薄膜電子移動率。而氮化銦薄膜本身成長形貌會 隨著實驗參數的改變而有不同。本研究發現在射頻濺鍍法的時候，給 予低溫且低流量的環境，可以得到較好的電子移動率以及垂直往上成 長的表面形貌；而高溫且氮氣流量較多的環境，則會得到三維成長無 一致方向的氮化銦薄膜。且發現在緩衝層的部份，除了有效的隔絕玻 璃基板的氧原子源之外，緩衝層的表面形貌亦對應氮化銦薄膜的電子. 21.
(37) 移動率趨勢。根據以往實驗結果[35]，直流濺鍍氮化銦薄膜最高電子 移動率為 7.98 cm2/ V・sec，而加上直流濺鍍氮化鋁緩衝層後，其電 子移動率則提昇至 27.80 cm2/ V・sec。本研究則使用射頻濺鍍氮化鋁 薄膜為緩衝層，最高電子移動率提昇為 37.06 cm2/ V・sec，因此在較 平整的緩衝層上直流濺鍍氮化銦薄膜得到較高的電子移動率，反之若 射頻濺鍍氮化銦薄膜，則使用較不平整的氮化鋁薄膜為緩衝層可得到 較佳的薄膜電子移動率。本研究在射頻濺鍍氮化鋁緩衝層上，射頻濺 鍍氮化銦薄膜最佳的電子移動率為 9.14 cm2/ V・sec，改用直流濺鍍 氧化鋁緩衝層則最高電子移動率為 13.74 cm2/ V・sec。 XRD 分析顯 示，藉由加入緩衝層，可於低溫低氮氣流量的情況下成長出具有優選 方向(002)的氮化銦薄膜，改善文獻[35]所提到低溫下沈積氮化銦薄膜 的缺點。. 22.
(38) 第五章 結論與未來討論 先前文獻[35]中討論緩衝層的作用，是以其隔絕玻璃基板的氧原 子源為主，而經過本研究的實驗證明，緩衝層的表面形貌亦影響氮化 銦薄膜的電子移動率表現。 且由前一章的實驗結果顯示，在射頻濺鍍氮化銦薄膜且沈積溫度 高的情況下，給予較多的氮氣流量可以使氮化銦薄膜表面型態往三維 方向成長，但無一致性；而射頻濺鍍氮化銦薄膜且沈積溫度較低時， 低流量的氮氣使得表面型態成為垂直向上的尖錐狀突起。此兩種型態 的氮化銦皆擁有不錯的電子移動率。 由氮化銦薄膜表面形貌的不同來推測緩衝層表面形貌影響氮化 銦薄膜的電子移動率原因，推論是因為平坦緩衝層上成長小尖錐狀的 氮化銦薄膜，電子在薄膜表面移動時，因為尖錐狀的表面使得其傳導 不如預期，而表面高低起伏較大的緩衝層反而可藉由氮化銦薄膜平坦 與尖錐狀交錯的表面來傳導，才有電子移動率高於成長在平坦緩衝層 的氮化銦薄膜現象。 另外射頻濺鍍氮化銦薄膜搭配緩衝層的使用，可以在低溫低流量 的情況下成長出具有優選方向(002)的氮化銦薄膜，文獻[35]中提到低 溫沈積的缺點可以利用射頻濺鍍法來改善。 最後總和各項參數的影響，選擇射頻濺鍍的氮化鋁薄膜，在此薄. 23.
(39) 膜上成長直流濺鍍的氮化銦薄膜，做出了 37.057 cm2/ V・sec 的氮化 銦薄膜，與文獻[36]中最高值的電子移動率 14.6cm2/ V・sec 相比，亦 說明先行於玻璃基板上濺鍍氮化鋁薄膜當緩衝層的方式已經可以取 代常用的藍寶石基板[37][38]來濺鍍高品質的氮化銦薄膜，而仍保有 不錯的電性可作應用。 本研究中有尚未深入探討的部份，包括如何使薄膜濃度有效降低 的方法仍不明確，及光電元件應用的成果等等皆是未來值得探討的區 域，盼實驗室後進成員能探討研究。. 24.
(40) 表 4.1 射頻沈積氮化銦薄膜溫度對表面粗糙度數值表 氮化銦薄膜溫度. Sa. Sq. Ssk. Sku. 200℃. 4.14. 5.19. 0.367. 3.37. 300℃. 5.69. 7.16. 0.288. 3.31. 400℃. 5.34. 6.71. 0.27. 3.11. 500℃. 4.22. 5.68. -1.26. 5.62. 表面粗糙度定義[39] Sa 值表示表面平均粗糙度(Surface Average，Sa) Sq 值為表面粗糙度方均根植(Root Mean Square，Sq) Ssk 值為表面傾斜度(Surface Skewness，Ssk) Sku 為表面鋒度(Surface Kurtosis，Sku). 25.
(41) 表 4.2. 200℃與 400℃直流濺鍍緩衝層上，成長不同溫度氮化銦薄膜 時之表面粗糙度數值表. AlN. InN. Sa. Sq. Ssk. Sku. 200℃. 200℃. 11.5. 17.8. 1.84. 9.22. 200℃. 300℃. 9.27. 12.6. 0.663. 6.52. 200℃. 400℃. 4.42. 6.48. 0.648. 8.54. 400℃. 400℃. 4.48. 6.59. 1.14. 9.93. 400℃. 300℃. 7.11. 10.7. 0.33. 8.43. 400℃. 200℃. 5.43. 7.36. 1.16. 10.2. 表 4.3 氮化鋁薄膜及氮化銦薄膜溫度對 XRD 參數之比較表 AlN Temp. InN Temp. 中心峰值(deg). FWHM(deg). 200℃. 200℃. 31.36. 0.4. 200℃. 300℃. 31.42. 0.46. 200℃. 400℃. 31.24. 0.22. 400℃. 400℃. 31.2. 0.2. 400℃. 300℃. 31.26. 0.38. 26.
(42) 圖 1.1 氮化銦六方晶系纖鋅礦結構示意圖. 圖 1.2 氮化鋁變形四面體示意圖. 27.
(43) 圖 2.1 濺鍍系統示意圖. 28.
(44) 圖 2.2 薄膜成長示意圖. 29.
(45) 圖 2.3 霍爾效應示意圖. 30.
(46) 圖 2.4 垂直片電阻測量示意圖. 31.
(47) 圖 2.5 水平片電阻測量示意圖. 32.
(48) 圖 2.6. 霍爾量測外加正磁場示意圖. 33.
(49) 圖 2.7. 霍爾量測外加負磁場示意圖. 34.
(50) 圖 2.8 霍爾量測系統示意圖. 35.
(51) 圖 2.9 原子力顯微鏡示意圖. 36.
(52) 圖 2.10 Ssk 表面傾斜度示意圖. 37.
(53) 圖 2.11 Sku 表面鋒度示意圖. 38.
(54) 圖 3.1 製程流程圖. 39.
(55) 圖 4.1 200℃射頻濺鍍的氮化銦薄膜. 圖 4.2 300℃射頻濺鍍的氮化銦薄膜. 40.
(56) 圖 4.3 400℃射頻濺鍍的氮化銦薄膜. 圖 4.4 500℃射頻濺鍍的氮化銦薄膜. 41.
(57) 圖 4.5 500℃射頻濺鍍氮化銦薄膜的掃描式電子顯微鏡圖. 42.
(58) 圖 4.6 不同溫度下沈積氮化銦薄膜的鋒度與斜度比較圖. 43.
(59) 圖 4.7 直流濺鍍 200℃氮化鋁緩衝層的原子力顯微鏡圖. 圖 4.8 射頻濺鍍 400℃氮化鋁緩衝層的表面形貌. 44.
(60) 圖 4.9 氮化鋁薄膜頻率 1KHz 電容對電壓圖. 45.
(61) 圖 4.10 200℃氮化鋁薄膜上成長 200℃氮化銦薄膜之原子力顯微鏡圖. 圖 4.11 200℃氮化鋁薄膜上成長 300℃氮化銦薄膜之原子力顯微鏡圖. 46.
(62) 圖 4.12 200℃氮化鋁薄膜上成長 400℃氮化銦薄膜之原子力顯微鏡圖. 圖 4.13 400℃氮化鋁薄膜上成長 400℃氮化銦薄膜之原子力顯微鏡圖. 47.
(63) 圖 4.14 400℃氮化鋁薄膜上成長 300℃氮化銦薄膜之原子力顯微鏡圖. 圖 4.15 400℃氮化鋁薄膜上成長 200℃氮化銦薄膜之原子力顯微鏡圖. 48.
(64) 圖 4.16 沈積於不同溫度氮化鋁薄膜緩衝層上的氮化銦薄膜鋒度與斜 度比較圖. 49.
(65) 圖 4.17. 400℃射頻濺鍍氮化鋁薄膜上成長 200℃射頻濺鍍氮化銦 薄膜之掃描式電子顯微鏡圖. 50.
(66) 圖 4.18. 400℃射頻濺鍍氮化鋁薄膜上成長 300℃射頻濺鍍氮化銦 薄膜之掃描式電子顯微鏡圖. 51.
(67) 圖 4.19. 400℃射頻濺鍍氮化鋁薄膜上成長 400℃射頻濺鍍氮化銦 薄膜之掃描式電子顯微鏡圖. 52.
(68) 圖 4.20. 400℃射頻濺鍍氮化鋁薄膜上成長 500℃射頻濺鍍氮化銦 薄膜之掃描式電子顯微鏡圖. 53.
(69) 圖 4.21 於直流濺鍍氮化鋁緩衝層上，射頻濺鍍溫度 400℃，氮氣流 量 6sccm 氮化銦薄膜之掃描式電子顯微鏡圖. 54.
(70) 圖 4.22 於直流濺鍍氮化鋁緩衝層上，射頻濺鍍溫度 200℃，氮氣流 量 6sccm 氮化銦薄膜之掃描式電子顯微鏡圖. 55.
(71) 圖 4.23 於直流濺鍍氮化鋁緩衝層上，射頻濺鍍溫度 200℃，氮氣流 量 6sccm 氮化銦薄膜之原子力顯微鏡圖. 56.
(72) 圖 4.24 不同溫度下射頻濺鍍氮化銦薄膜 電子移動率與濃度比較圖. 57.
(73) 圖 4.25 沈積於 200℃氮化鋁薄膜緩衝層上的氮化銦 薄膜之電子移動率與濃度之比較圖. 58.
(74) 圖 4.26 沈積於 400℃氮化鋁薄膜緩衝層上的氮化銦 薄膜之電子移動率與濃度之比較圖. 59.
(75) 圖 4.27 在射頻濺鍍氮化鋁薄膜緩衝層上，成長不同溫度的射頻濺鍍 氮化銦薄膜之電子移動率與濃度關係圖. 60.
(76) 圖 4.28 在溫度 400℃氮化鋁薄膜上，通入氮氣流量 6sccm 濺鍍沈積 氮化銦薄膜之電子遷移率與濃度比較圖. 61.
(77) 圖 4.29 在 200℃氮化鋁薄膜上成長 200℃氮化銦薄膜之 XRD 圖. 62.
(78) 圖 4.30 在 200℃氮化鋁薄膜上成長 300℃氮化銦薄膜之 XRD 圖. 63.
(79) 圖 4.31 在 200℃氮化鋁薄膜上成長 400℃氮化銦薄膜之 XRD 圖. 64.
(80) 圖 4.32 在 400℃氮化鋁薄膜上成長 400℃氮化銦薄膜之 XRD 圖. 65.
(81) 圖 4.33 在 400℃氮化鋁薄膜上成長 300℃氮化銦薄膜之 XRD 圖. 66.
(82) Intensity (A.U.). 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 -500. InN<002>. InN<011> InN<103>. InN<101>. InN<113> InN<004>. 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100. 2-Theta-Scale 圖 4.34 200℃濺鍍氮化銦之 XRD 圖. 67.
(83) 圖 4.35 在準分子脈衝雷射濺鍍氮化鋁緩衝層上成長氮化銦薄膜之電 子移動率與濃度比較圖. 68.
(84) 圖 4.36 在直流濺鍍緩衝層上成長直流濺鍍氮化銦薄膜時改變氮氣流 量所得之電子移動率與濃度關係圖. 69.
(85) 圖 4.37 在直流濺鍍緩衝層上成長不同溫度的直流濺鍍氮化銦薄膜之 電子移動率與濃度關係圖. 70.
(86) 圖 4.38 在射頻濺鍍氮化鋁薄膜上，以不同溫度直流濺鍍氮化銦薄膜 之電子移動率與濃度圖. 71.
(87) 圖 4.39 在射頻濺鍍氮化鋁薄膜上，成長 400℃直流濺鍍氮化銦薄膜 的原子力顯微鏡圖. 圖 4.40 在射頻濺鍍氮化鋁薄膜上，成長 300℃直流濺鍍氮化銦薄膜 的原子力顯微鏡圖 72.
(88) 圖 4.41 在射頻濺鍍氮化鋁薄膜上，成長 200℃直流濺鍍氮化銦薄膜 的原子力顯微鏡圖. 73.
(89) 圖 4.42 在射頻濺鍍氮化鋁薄膜上，成長 400℃直流濺鍍氮化銦薄膜 的電子顯微鏡圖. 74.
(90) 圖 4.43 在射頻濺鍍氮化鋁薄膜上，成長 300℃直流濺鍍氮化銦薄膜 的電子顯微鏡圖. 75.
(91) 圖 4.44 在射頻濺鍍氮化鋁薄膜上，成長 200℃直流濺鍍氮化銦薄膜 的電子顯微鏡圖. 76.
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(97) 附錄 濺鍍薄膜步驟: (1)首先將清洗過後的基板放入濺鍍系統的樣品圓盤。 (2)由機械幫浦(Mechanical Pump)將腔體真空度抽至 5×10-3 以下。 (3)使用渦輪分子幫浦將腔體真空度持續抽至 3×10-6 以下。 (4)此時利用石英燈管加熱至 400℃五分鐘，利用高溫將腔體內的水氣 烤離腔體壁與擋板，然後由渦輪幫浦抽離腔體。 (5)在設定的溫度下，通入設定氣體十分鐘至其腔體內壓力穩定。 (6)預打薄膜至擋板十分鐘，去除可能濺鍍初期較不穩定的薄膜成份。 (7)將擋板移開進行濺鍍於基板上。 (8)濺鍍程序進行完成後，若無繼續濺鍍薄膜，則持續通入微量製程 氮氣 2sccm 使其緩慢降溫至 100℃左右再進行破真空的動作。. 82.
(98)
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