氧化鋅薄膜之顯微結構及物性與電性研究

國立交通大學

奈米科技研究所

碩士論文

氧化鋅薄膜之顯微結構及物性與電性研究

Study on Microstructure and

Physical-Electrical Properties of ZnO

研究生：黃世陽

指導教授：劉增豐 教授

中華民國九十五年五月

國立交通大學

奈米科技研究所

碩士論文

氧化鋅薄膜之顯微結構及物性與電性研究

Study on Microstructure and

Physical-Electrical Properties of ZnO

研究生：黃世陽

指導教授：劉增豐 教授

中華民國九十五年五月

氧化鋅薄膜之顯微結構及物性與電性研究

Study on Microstructure and

Physical-Electrical Properties of ZnO

研究生：黃世陽 Student： Shih-Yang Huang 指導教授：劉增豐 Advisor：Prof. Tseng-Feng Liu

國立交通大學

奈米科技研究所

碩士論文

Study on Microstructure and

Physical-Electrical Properties of ZnO

National Chiao Tung University

In partial Fulfillment of the requirements For the Degree of

Master In

Nanotechnology June 2006

Hsin-chu, Taiwan, Republic of China

中華民國九十五年五月 .

致謝

感謝做論文這段時間以來幫助我的大家，有我的指導 教授劉增豐教授，共同指導的謝文峰教授，以及東海 大學的簡世森教授，當然還有劉惟仁學長，蘇俊偉學 長，林志龍學長，黃同慶學長，以及許許多多實驗室 的同學們。最後我要感謝我的父母跟我的女朋友湯詠 婷讓這篇論文做的更好。

摘要

本篇論文中我們使用穿透式電子顯微鏡術

（Transmission Electron Microscopy, TEM）與兩種 掃描探針顯微技術 (Scanning Probe Microscopy，SPM) 改裝過後的顯微技術，分別為掃描電容顯微技術

(Scanning Capacitance Microscopy，SCM)以及接觸 模式的導電原子力顯微鏡（Conductive Atomic Force Microscopy，C-AFM）針對 ZnO 表面差排分佈與導電 特性做深入的研究。 SCM 是使用探針,濺鍍一層導電 金屬材料，在探針端施加低頻交流小訊號偏壓之下操 作，藉由一個共振電容感測器讀取偵測試片與探針之 間的電容對所施加小訊號變化，利用微分處理得到數 值 dC/dV，進而形成一二維點陣圖對地形地貌的關係, 可以量測半導體試片中的載子分佈及電性狀態。我們 也可以藉由探針定點量測所施加的直流電壓，收集小 訊號對所施加直流電壓的變化，進一步討論電性與結 構的關係。至於，C-AFM 的原理是類似 SCM，只是所 收集的訊號是為電流訊號，經由前端放大器放大電訊

號,所收集後做出二元點陣圖，此種量測方式對特定點 的漏電流及接觸電性有很大的量測效果。我們使用 SCM 以及 C-AFM 針對脈衝雷射蒸鍍 (Pulsed Laser Depositon, PLD) 於 Al2O3藍寶石(0001)面磊晶生長 ZnO 做量測，發現到電容應對不同直流電壓，及場發 射電流在 ZnO 表面，而其分佈與其形貌有著密切的關 係。在結構分析上，我們經由穿透式電子顯微鏡 (TEM)，觀察到 ZnO 薄膜具有圓柱狀晶體結構，而於 晶界有著高密度的貫穿差排 (Threading Dislocation)，主要是刃差排其布格向量（Burgers Vector）為 3 1 _{<1120 >，而 ZnO 與 Al} 2O3的方向關係為 [1210] AL₂O₃//[ 0011 ]ZnO 、(0001)AL₂O₃// (0001)ZnO 、 (1010)AL₂O₃//(1120)ZnO 和 (1012)AL₂O₃//(1122)ZnO 。 藉由電性與結構的分析,在 SCM 以及 C-AFM 的量測 之中我們發現平帶電壓以及能障會隨著有聚集刃差排 的晶粒邊界而增加。

Abstract

Scanning probe microscopy (SPM) has been shown to be a powerful method for characterizing local properties of surface. In the present study TEM and varied from SPM, namely scanning capacitance microscopy (SCM) and conductive atomic force microscopy (C-AFM) have been applied to characterize the distribution of dislocation near the surface. The SCM offers the information of charge carriers of semiconductors in response to a low-frequency AC electrical modulation between the sample and tip. The SCM signals are detected as the capacitance between the sample and tip with a resonance capacitance sensor. The SCM images are obtained from two dimensional dC/dV signals, which represent the slope of the capacitance (C) – voltage (V) curve at a certain DC tip bias (V_tip) . In addition, the dC/dV versus V_tip (dC/dV-V_tip) curves with holding the tip stationary in specific positions are utilized to characterize the local

carrier properties. The C-AFM uses a metallized SPM probe to contact with the sample as a microscopic Schottky contact. The current (I) detected and amplified as a bias voltage (V) is applied to the probe. The images of sample topography and current leakage can be simultaneously acquired.

The electrical properties of epitaxial ZnO films grown by pulsed laser deposition on sapphire (0001) were investigated by SCM and C-AFM. Regions with significantly different capacitive response and field emission current coexist on the ZnO surface and their distribution are closely correlated with surface

topography. Transmission electron microscopy observations reveal that the ZnO films have a

columnar-grain structure consisting of epitaxial cores surrounded by boundaries with high density of threading dislocations. The local spectra of dC/dV-V_tip and I-V_tip curves by SCM and C-AFM indicate that the flatband voltage shifts and the potential barrier increase at the

grain boundary, which is attributed to the interface trap density and fixed charge density induced by the

threading dislocations. In this work, the major threading dislocations affecting the physical electrical properties of epi-ZnO film are found to be of pure edge and the bugers vector are [1210]AL₂O₃//[ 0011 ]ZnO 、

(0001)AL₂O₃//(0001)ZnO 、 (1010)AL₂O₃//(1120)ZnO

and (1012)AL₂O₃//(1122)ZnO 。

By means of the analyses of the electric properties and microstructures, it was found that the flatband voltage and band gap would increase with the existence of the edge dislocations at the grain boundary.

內容目錄

摘要...1 Abstract...3 內容目錄...6 圖案目錄...7 前言...9 實驗步驟...15 結果與討論...26 結論...49 參考文獻...50

圖案目錄

圖1. 氧化鋅結構示意圖...13 圖2. 藍寶石(Al2O3)基版上成長 ZnO 薄膜示意圖...14 圖3. 超高真空 PLD 濺鍍示意圖...17 圖4. ZnO 半導體的 SCM 示意圖...21 圖5. C-AFM 操作原理...23 圖6. ITRI DI3000 SP 圖 ...25 圖7. 八環繞射儀...27 圖8. ZnO 薄膜(a)Phi-scan 及(b)PL 光譜圖...28 圖9. TEM 明視野圖...32 圖10. ZnO，極軸為 [ 0011 _{]的擇區繞射圖型...32} 圖11. Al2O3 ，極軸為[1210]的擇區繞射圖型...33 圖12. ZnO 與 Al2O3方向關係的擇區繞射圖型...33 圖13. (0002) ZnO 暗視野照片...35 圖14. (0004) ZnO 暗視野照片...35 圖15. uvg =(0001) ZnO 明視野照片...36 圖16. uvg =(0113) ZnO 明視野照片...36 圖17. uvg =(1013) ZnO 明視野照片...37

圖18. uvg =(1120)ZnO 明視野照片...37 圖19. uvg =(1122) ZnO 明視野照片...38 圖20. uvg =(2130) ZnO 明視野照片...38 圖21. AFM 形貌圖...42 圖22. SCM 圖...42 圖23. 晶粒中心以及晶界的 dC/dV 對 Vtip 曲線...43

圖24. AFM 及 C-AFM 在逆偏壓 (V-sample= 2 V)照片....46

圖25. AFM 及 C-AFM 在正偏壓 (V-sample= -2 V)照片..46

圖26. AFM 形貌圖...47

圖27. C-AFM 電流圖...47

圖28. AFM 及 C-AFM 疊合圖...48

圖29. I-V 曲線圖以及 ln(I/V2 )對 1/V 圖...48

前言

氧化鋅為六方晶 wurtzite 結構，其晶格常數為 a ＝0.3249 nm, c=0.5207 nm，結構如圖 1 所示[1]。氧 化鋅(ZnO)其熔點為 1975℃，高溫時為淡黃色，室溫 下為白色並且擁有穩定的性質。氧化鋅單晶在成長時 會產生間隙型鋅原子(zinc interstitials) 或是氧 空缺(oxygen vacancies)，而形成 n 型半導體。 氧化鋅擁有 3.37eV 的直接能隙讓使其能做紫外 線的光電元件，又其擁有很高的激子(exciton)束縛能 60 meV 大於 ZnSe (22 meV)和 GaN (25 meV),並且大 於室溫的束縛能 25 meV,因此氧化鋅能夠在室溫之下 能製造成高效能的光電元件 [2~11] 。 ZnO 在氣體感 測器應用上，具有低操作溫度，以及高靈敏度的特性， 可用於偵測 CO、CO2、NH3等氣體偵測器上[12]。 ZnO 的透明材料(Al-doped ZnO，AZO)由於具有無毒性、低 成本以及高穿透率、高導電性等特性，具有取代目前 既有導電透明材料 ITO 的潛力[13]， 而在 2005 年由 雷射分子束磊晶技術製造的第一個藍光 ZnO LED 也被

發表[14]。

在先前別人對 ZnO 薄膜異質結構磊晶成長的研究 中[15~23]，發現當使用脈衝雷射蒸鍍在藍寶石基板

（sapphire）上生成磊晶氧化鋅薄膜的時候， 由於兩

者的晶格差異(lattice mismatch △a/a0)有 32%，因

此為了彌平這些差異，氧化鋅晶體在成長的過程中會 旋轉了 30 度，如圖 2 中所示[24]。經 30 度旋轉後氧 化鋅的[2110]方向與藍寶石的[ 11 00]方向平行，而 旋轉過後兩者的晶格差異還有 18%的差異，這種差異 使得 ZnO 薄膜中存在很大的應變能，這麼大的應變 能，在熱力學上並不是最穩定的狀態，為了使 ZnO 薄 膜穩定，因此必須釋放應變能，而這些應變能就會以 適當的缺陷釋放應變能[25]。 近幾年來，對於 ZnO 異質磊晶成長的缺陷結構研 究，藉由穿透式電子顯微鏡中發現，主要的缺陷是高 密度的貫穿差排(threading dislocation)，這種現象 與在 GaN 薄膜上十分類似[26,27]。 ZnO 與 GaN 均具 有相同 Wurtzite 結構，在貫穿差排對 GaN 薄膜的物性

和電性之影響,發現到貫穿差排對於物性及電性有非 常大的影響[14~27]。 一般而言，貫穿差排可以分成三種， (1)刃差 排；(2)螺旋差排；及(3) 混合型差排；這三種差排的 分別在於布格向量(Burgers vector) 與差排線 (dislocation line)間的幾何關係。 (1) 刃差排:布格向量垂直於差排線。在 GaN 磊晶薄 膜而言,貫穿差排之刃差排，其應力場區域中會有 帶負電的電荷,而使電子能障增加,因此比較不會 導電。 (2) 螺旋差排:布格向量平行於差排線,對於 GaN 光 電元件中,當操作於逆向偏壓時,會有漏電行為，造 成非輻射的中心( non-irradiative center),使得 發光效率降低 。 (3) 混合型差排:刃差排及螺旋差排的混合體。 至今，貫穿差排對 ZnO 薄膜的物性和電性尚無人 研究過，而此貫穿差排對元件特性有如此的重要。所 以本論文主要目的，是利用 TEM，AFM 和 SCM 觀察分析

Wurtzite structure

:O

: Zn

實驗步驟

一、 試片製作（脈衝雷射蒸鍍成長氧化鋅薄膜） 準分子雷射全名為 Excimer Laser, Excimer 為 Excited Dimer 兩個字簡寫而組成。其中文意義為被 激發的雙原子氣體,準分子雷射氣體組成為惰性氣體 原子，如 He,Ne,Ar,Kr 等與化學性質較活潑鹵素原子, 如 F,Cl,Br 等原子, 相混合以後利用電激發所發出紫 外線光源。我們的氧化鋅薄膜是使用脈衝雷射蒸鍍的 方法成長，此方法為目前長磊晶薄膜最熱門的方法之 一[28 ,29]。我們使用重複率 10Hz 能量強度 5–7 J/cm2 的 KrF 雷射(λ = 248 nm) 濺鍍在一般商業上使 用的 99.99%純度氧化鋅鈀材上,雷射光束與鈀材法線 方向夾角為 45o ，當雷射轟擊鈀材時，鈀材吸收雷射 的能量，使得鈀材內，材料原子鍵結破壞，進而產生 電漿，沉積在加熱的基板上。我們氧化鋅薄膜以 0.625 Å/sec 的速度，在 600 °C，真空度在 3.5 x 10-9 torrs 的狀態之下成長，並隨即在真空環境中，以 700 °C 退火一小時。隨後進行後續材料的結構及電性分析。

二、穿透式電子顯微鏡(TEM) 利用 JEOL-2000FX 掃描穿透電子顯微鏡(STEM) 觀察並分析 ZnO 薄膜切面的顯微結構，加速電壓為 200KeV。 三、掃描探針顯微技術(scanning probe microscopy，SPM) SPM 中最早發明的 STM 是藉由導電探針與樣品間 的穿隧電流來偵測表面特性，其優點是具有極佳的空 間解析度，能夠清楚量測到表面單一原子以及其電子 能態，因此對表面物理研究相當重要。由於 STM 對樣 品與操作環境的要求較為嚴苛，僅能測量具有相當導 電性的表面，且一般得在超高真空下操作以保持樣品 表面的潔淨，因此在應用上較受限制。相對的，AFM 是利用探針與表面間的作用力來量測表面特性，因此 樣品可不導電，對操作環境的要求也較少，可在一般 大氣環境下甚至在液體中操作。此外，藉由使用適當 的探針或方法，即可量測出各種不同的作用力形式， 並獲得表面諸多特性。這些優點使得 AFM 在發展上比

STM 更為容易且應用範圍更廣，但另一方面，由於 AFM 的探針尖端尺寸與作用力範圍常遠大於原子尺度，因 此在空間解析度上比 STM 差。 SFM 是許多掃描力顯微鏡的統稱，其中最常見也最 早 出 現 的 是 原 子 力 顯 微 鏡 [30](Atomic Force Microscope， AFM)，其量測的作用力是探針與表面間 的凡得瓦爾力。在實際操作時，通常是保持此一作用 力的大小，使探針與表面的間距固定，如此在掃描時 探針的高度即隨著表面的高低起伏而變化，換言之， 藉 由 量 測 探 針 的 高 度 變 化 ， 即 可 得 到 表 面 的 形 貌 (topography)。其他常見的掃描力顯微鏡，像是磁力 顯微鏡(Magnetic Force Microscope，MFM)、摩擦力 顯微鏡 (Friction Force Microscope，FFM)、靜電力 顯微鏡(Electrostatic Force Microscope，EFM)、壓 電反應力顯微鏡(Piezoelectric Force Microscope， PFM)等等，雖然所量測的作用力都不相同，但都架構 在 AFM 的基礎上，因此很容易整合在一起，成為分析 奈米物性甚佳的儀器。我們針對 CFM，SCM 和 C-AFM 功能分別描述如下。

(1) 電容力顯微鏡 (Capacitance Force Microscope，CFM) 與掃描電容顯微鏡(Scanning Capacitance Microscope，SCM) CFM 與 SCM 對於半導體量測而言是個功能強大 的工具。其主要功能可以量測半導體樣品局部電容訊 號、摻雜濃度、絕緣層內的缺陷、薄膜厚度、介電常 數等的空間變化。其儀器結構如圖 4 所示。

W i R i Li Sapphire ZnO epi-film Piezoelectric scanner Lock-in amp (ω) Photo-detector Laser Capacitance sensor dC/dV C(V_bias) V_bias VAC(ω) AFM SCM Tip 圖 4. ZnO 半導體的 SCM 示意圖

(2) 導電原子力顯微鏡(Conducting atomic microscope,C-AFM): C-AFM 主要使用金屬探針對於試片做 schottky 接觸，給定探針 Vtip不同的偏壓(V)可以量測不同的電 流(I)，經由放大器作用後做出二元點陣圖，此種量測 方式對特定點的漏電流有著顯著的效果。其儀器結構 與操作原理如圖 5 所示。

我們使用的掃描電容顯微鏡(SCM)及導電原子力 顯微鏡，都是使用 ITRI 的 DI3000 掃描探針顯微 (scanning probe microscopy，SPM)，如圖 6 所示。

DI 3000 microscope

DI 3000 microscope

結果與討論

一、ＺnO 薄膜試片基本特性 首先，經 PLD 成長完後的試片，利用八環繞射儀 做薄膜結構分析，其儀器裝置如圖 7 所示。結果發現 ZnO 薄膜的{2021}繞射面是呈現六重對稱，如圖 8(a) 所示。此表示 ZnO 薄膜磊晶成長在藍寶石基板之(0001) 面上。 利用 PL 對於 ZnO 薄膜做光性量測分析，結果發現 主要發光的能階為 3.3 eV，如圖 8(b)所示。由圖 8(b) 中可看出缺陷發光的範圍強度很小( 圖 8(b)中虛線 所圈的範圍)，因此 ZnO 薄膜具有很好的光性品質。另 為 利 用 Hall 量 測 ( 機 台 為 Bio-Rad Microscience HL5500 Hall System )其電性，結果為其電子載子濃度 為 2.87 ×1017 - 7.06×1018 cm-3 ， 電 子 的 遷 移 率 (mobility)約為 28.2 - 40.9 cm2 /V．s，顯示 ZnO 薄膜 亦具有很好的電性。

0 50 100 150 200 250 300 0 2 4 6 8 Intensity (a.u)

Φ

(deg.)

{2021}

(a)

2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 PL intensity (a.u)

Photon energy (eV) PL @ RT

(b)

二、顯微結構分析

利用穿透式電子顯微鏡(TEM),觀察橫截面其微觀 結構，由圖 9 的明視野照片(Bright-Field)可以清楚 地觀察到兩個區域。圖 10 和圖 11 乃分別對這兩個不 同的區域(圖 9 中的 A、B)所作之擇區繞射圖形

(select-area diffraction pattern，SADP)。根據分 析結果顯示，圖 9 中標示 A 之區域為 ZnO，圖 10 是極

軸(zone axis)為[1100 _{]的擇區繞射圖型，ZnO 其微}

觀結構是 Hexagonal，它的晶格常數為 a=0.3238nm、 c=0.5225nm[31]。圖 9 中標示 B 之區域為 Al2O3，圖 11 是極軸為[1210]的擇區繞射圖型。Al2O3其微觀結 構也是 Hexagonal，它的晶格常數為 a=0.476nm、 c=1.299nm(32)。圖 12 是同時取自 A 和 B 區域的擇區 繞射圖型，表一為計算出倒置晶格向量夾角，結果顯 示 Al2O3基地與 ZnO 之間有相當好的方向關係

(orientation relationship)。 Al2O3與 ZnO 的方向 關係為 [ 1012 ]AL₂O₃//[ 0011 ]ZnO、

(0001)AL₂O₃//( 0001)ZnO 、 (1010)AL₂O₃//(1120)ZnO 和

Kang et al.[33] 觀察的結果相吻合。圖 13 和圖 14 分別為（0002）ZnO 和（0004）ZnO 暗視野(Dark-Field) 照片，由這二張 TEM 照片可以觀察到 ZnO 的次晶粒 (subgrain)平整地長在 Al2O3基地上，並且我們可以 看到次晶界中有相當高密度的差排(dislocation)。因 此我們想進一步去鑑定其差排是刃差排(edge dislocation)還是螺旋差排(screw dislocation)。 所以我們利用gv_‧bv＝ 0 差排影像消失、gv_‧bv≠ 0 差排影像出現的原理，來分析我們所觀察到的差排為 何種類型。圖 15 至圖 20，分別為不同的gv下所拍攝到 的 TEM 明視野照片，依序為gv＝[0001]、gv＝[0113]、 gv_＝[1120_]、gv_＝[1122 ]以及gv_＝[2130 _{]。由上述幾張} 不同uvg值的明視野照片中所標記的 A、B、C 三個差排， 進一步利用解聯立方程式的方法可以得到兩種不同布 格向量的差排，分別為bv＝[0001]、 1 1120 3 bv = ⎣⎡ ⎤_⎦，根據 六方晶體的滑移系統比對，bv＝[0001]為螺旋差排的 布格向量， 1 1120 3 bv = ⎣⎡ ⎤_⎦為刃差排的布格向量。 由圖 15 至圖 20 不同gv向量 TEM 明視野圖，發現刃

差排所佔的比例為所有差排的 95%，並且觀察到在 ZnO 次晶粒晶界上，聚集高密度的刃差排，因此我們推測， ZnO 的薄膜柱狀晶，在中心處是 ZnO 結晶程度很好的 磊晶層，次晶界處是由高密度的刃差排，所構成的短 程有序的區域。

圖 9. TEM 明視野照片

圖 11. Al2O3，極軸為[ 1012 ]的擇區繞射圖案

圖 12 ZnO 與 Al2O3方向關係的擇區繞射圖型

表一：ZnO 與 Al₂O3倒置晶格向量之間的夾角 兩個特定的倒置晶格向量 計算出的角度(度)

(

1 1 2 0

)

ZnO 與 (0 0 0 2 )_ZnO

(

)

2 3 3 0 3 0 Al O 與( ) 2 3 0 0 0 6 Al O (0 0 0 2 )_ZnO與

(

1 1 2 2

)

ZnO (0 0 0 6) _{2 3} Al O 與

(

)

2 3 3 0 3 6 Al O

(

1 1 2 2

)

ZnO 與

(

1 1 2 0

)

ZnO

(

)

2 3 3 0 3 6 Al O 與

(

)

2 3 3 0 3 0 Al O 90.0 90.0 148.1 147.6 58.1 57.6 Angle φ between (h k l1 1 1) and (h k l2 2 2)：

Hexagonal Close-Packed→ ( ) 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 1 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 2 1 2 2 2 2 2 2 1 3 2 4 cos 3 3 4 4 a h h k k h k k h l l c a a h k h k l h k h k l c c φ = + + + + ⎧⎛ ⎞⎛ ⎞⎫ + + + + ⎨⎜ ⎟⎜ ⎟⎬ ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎩ + + ⎭ 註:ZnO 晶格常數為 a=0.3249nm, c=0.5207nm。 Al2O3晶格常數為 a=0.4621nm, c=0.3053nm。

圖 13. (0002) ZnO 暗視野照片

圖 15. uvg =(0001)ZnO 明視野照片

圖 17. uvg =(1013) ZnO 明視野照片

圖 19. guv =(1122) ZnO 明視野照片

三、SPM 電性量測分析

圖 21 以及圖 22 分別為探針直流電壓為 0.664V 以及給予 2V 交流電偏壓在 23kHz 頻率之原子力顯微 鏡 AFM (atomic force microscopy)以及掃描電容顯 微鏡 SCM (scanning capacitance microscopy)的照 片。我們可以在圖 21 為俯視形貌圖中，發現晶粒的直 徑大約介於 80~110 nm 之間，而比對圖 21 以及圖 22， 我們可以發現到電容跟晶粒有著很大的相關性。在此 值得一提的是，電容受形貌的影響可以分為兩個因素 來討論，第一就是試片表面粗糙程度所造成的電容變 化，第二就是晶粒中心跟晶界結構差異所造成的改變。 在此我們可以忽略表面粗糙程度所造成的影響， 因為我們的試片平均高低差只有 1.2nm。因此 SCM 上 面觀察到的對比影像，可以認定是晶粒及晶界差異所 造成。圖 23 為 dC/dV-Vtip曲線，我們針對圖 22 中 A 點之晶粒調變探針電壓(Vtip)在-3V~3V 之間所取得的 dC/dV 值作圖獲得曲線(Grain A)，以及同樣方式針對 圖 22 中 B 點之晶界做圖獲得曲線(Boundary B)。我們 發現 B 點的 dC/dV 值大於 A 點，這意味著針對 A 點與

B 點來說晶界的的載子濃度是小於晶粒中心的。另 外，dC/dV-Vtip 曲線的峰值可以定義為平帶電壓[31] 而對 Grain A 曲線跟 Boundary B 曲線來說其峰值有著 0.57V 的平移，而我們針對探針給予-0.7V 的電壓時， 其對比也會減少,因此，SCM 的訊號分佈，並非是地形 地貌及人工誤差所造成的。 關於平帶電壓的平移我們將他歸因於兩個原因， （ 1 ） 為 捕 獲 電 荷 密 度 (interface trap density (Dit))，（2）為 fixed charge density (Nf)[26]。Nf

只會造成 dC/dV 曲線的改變，但是 Dit會造成 dC/dV 曲 線以及應力的改變。我們可以藉由 Grain A 以及 Boundary B 兩曲線的形狀變化來分析是只有單純的平 移，還是有整個曲線形狀受到延伸造成平移的變化， 亦即確定在 Grain A 點以及 Boundary B 點，只受到 Dit的影響或是共同受到 Dit以及 Nf的影響。在 2004 年 Hong et al[31]提到我們可以藉由 dC/dV 曲線半高寬

(full width at half maximum FWHM)對應的ΔV 相除

的值來判斷是否只有 Dit影響到 dC/dV 曲線。 其原理

曲，此時在探針接觸區域並沒有空間電荷)，藉由相同 dC/dV 變化的值在空乏區(depletion region)，代表 空間電荷的變化，所對應施加探針的電壓變化，比值 是 1 時，代表僅有受捕獲電荷密度(Dit)之影響，而對 Grain A 以及 Boundary B 來說我們得到的比值，分別 是 0.85 以及 0.91。這意味著 dC/dV-Vtip曲線的改變不 只受到 Dit的影響也同樣受到少量 Nf的影響。這代表著 載子在晶粒中心與晶界對於電場的響應不同，其可能 的因素為電子受到電場作用時，受到晶界結構的不連 續，所造成載子被刃差排所造成的缺陷所吸引，使得 對 SCM 響應不同。

圖 21. AFM 圖

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 Boundary (B) ∆ _VA ∆ VB Grain (A) dC/dV ( a. u )

DC tip bias (volt)

V

DC= 0.664 V

∆ _(dC/dV)A,B

0.57 V

圖 24 及圖 25 分別為電壓施加於試片上電壓為 2V 及-2V 下，所得到 AFM 與 C-AFM 的圖，由圖可明顯看 到晶粒邊界比較不容易導電，如圖 25，而在相反電壓 下，晶粒中心(磊晶核層)會產生漏電行為。為了去探 討電流在磊晶核層及晶界的導電電性。因此，我們將 探針移至磊晶核層及晶界上，量測電流及電壓關係圖。 圖 26 以及圖 27 為在給予探針 Vtip= 3V 的狀態下同 時得到的 AFM 俯視圖跟 C-AFM 的電流圖，其中圖 27 為電流反向影像，圖 28 為圖 26 跟圖 27 疊在一起所得 的圖，這種做法可以讓我們更容易的觀察磊晶核層以 及晶界對於導電能力所產生的影響。我們可以發現， 磊晶核層以及晶界部份的導電度有明顯的不同。我們 進一步針對晶粒中心 A 點以及晶界 B 點作 I-V 曲 線，其結果如圖 29 所示，其中實心黑色圓點曲線為晶 粒 A 點取得，空心圓點曲線為晶界 B 點取得。而 ln(I/V2 ) 對 (1/V)曲線也同樣表示在圖 29 之中。從 曲 線 的 特 性 我 們 利 用 Fowler-Nordheim field emission 公式做分析，發現其斜率不同。這代表著在 AFM 探針和試片接面上有著一層絕緣層，而邊界的 I-V

曲線低於晶粒中心的 I-V 曲線也意味著在晶界區域有 著較高的能障。 Tivarus et al.[32]根據理論計算發 現，若對於有帶負電的貫穿差排存在，會使載子的能 障升高，進而使電流降低。

V-sample= 2v

圖 24. AFM 及 C-AFM 在逆偏壓 (V-sample= 2 V)照片

V-sample= - 2v

圖 26. AFM 形貌圖

圖 28. AFM 及 C-AFM 疊合圖 -4 -2 0 2 4 0 10 20 0.3 0.6 -23 -22 -21 1/V ln ( I/V 2 )

DC tip bias (volt)

C-AF M c u rr e n t (n A) V_DC=3V ∆ Ι 圖 29. I-V 曲線圖以及 ln(I/V2 )對 1/V 圖

結論

利用PLD方法在藍寶石(Al

₂

O

3

)基板上成長氧

化鋅(ZnO)，磊晶薄膜在(0001)氧化鋁基板上。

一、 氧化鋅磊晶薄膜在(0001)氧化鋁基板上為

柱狀晶形成長，在晶界上有很高密度的差

排，而中心則是ZnO晶格排列有序磊晶核

層。差排主要為刃差排，其布格向量為

3 1 _{<1120 >}

_。

二、 Al

2

O

3

與 ZnO 之間的方向關係為

[1210]AL₂O₃//[ 0011 ]ZnO、 (0001)AL₂O₃//(0001)ZnO、 (1010)AL₂O₃//(1120)ZnO 和 (1012)AL₂O₃//(1122)ZnO。

三、 具有高密度刃差排的晶界，捕捉電荷密

度(

Dit

)高於磊晶核層，而在磊晶核層上具

有載子密度分佈。具有高密度刃差排的晶

界，會使得載子所需突破能障增加，而降

低導電行為。因此，氧化鋅磊晶薄膜電性

的變化主要是受到晶界刃差排的影響。

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