行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
微結構之顯微電性量測(1/3)
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC92-2112-M-009-028- 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 計畫主持人： 陳衛國 共同主持人： 李明知，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 5 月 31 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
微結構之顯微電性量測(1/3)
計劃編號: NSC-92-2212-M-009-028
執行期間: 92/8/1~93/7/31
主持人：陳衛國 交通大學電子物理系
一、中文摘要
在本期計畫中我們利用原子力顯 微鏡進行氮化鎵表面 V 型微結構的顯 微電性量測。對於單一個 V 型微結 構，我們發現在測壁部分和平坦表面 相比，具有較低的表面電位，以及高 一個數量級的表面能態密度。我們也 發現到 V 型微結構呈現整流的電流－ 電壓特性，和平坦表面相比具有較低 的起始電壓。除此之外，在側壁之間 的稜線卻具有較大的反向電流。我們 認為這是導致元件結構反向漏電流的 原因。二、英文摘要
In this study, conductive atomic force microscopy was used for investigating microscopic electric properties about V-shaped structure at GaN surface. Using surface potential measurement, an order higher of surface state density was observed at sidewalls of V-structure than at flat surface. Localized current mapping also showed rectified current-voltage characteristics inside a single V-structure, which contains lower turn-on voltage than flat region. In addition, we also observed high reverse bias current was observed at crest lines of V-shaped structure while is believed to response for large reverse leakage current in macro-scale device.
三、緣由與目的
在前幾年的研究當中，我們成功地 利用空間解析度達到微米等級的顯微 螢光光譜(micro-PL)，對於氮化鋁鎵 (AlGaN)表面一個直徑 約數微米大小 的六角丘型微結構(hillock)以及倒金字 塔狀的V型微結構(V-defect)進行變溫 光譜的研究。我們發現，在微結構之內 的光譜出現一個新的譜峰，其波長大約 較近能帶邊緣(near band emission)譜峰 長約20nm[1]。值得一提的是，這個譜 峰從未在平坦處被發現，而且發光強度 甚至較平坦處近邊緣輻射來的強。我們 認為較強的發光效率可能另這些微結 構 成 功 地 應 用 在 未 來 的 發 光 元 件 之 上。但是截自目前為止，對於這些微結 構的基礎電性研究仍然相當缺乏，因此 我們在這三年當中將建立一套顯微電 性量測技術，以其對這些微結構的光電 物理特性進行完整的研究。 在這一期計畫執行期間，我們以有 機金屬氣相沉積磊晶技術(MOVPE)成 長氮化鎵薄膜，並且成功地控制表面V 型微結構的密度。為了對這些微結構進 行顯微電性量測，我們利用原子力顯微 鏡(AFM)設備搭配導電型的探針掃描 局域表面電位及電流的分布，並且解析 出V型微結構對於表面能態密度的關 係以及對於大範圍元件結構的影響。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 750℃成長不同厚度 的氮化鎵鋁緩衝層,以降低氮化鋁鎵與 Sapphire 間晶格不匹配產生之應力。在 成長緩衝層後，將反應腔溫度升高至 1120℃,通入 TMAl、TMGa 及 NH3反 應氣體,成長厚度約 2μm 的氮化鎵薄 膜。 我們首先利用被倍率為 5000 倍的 光學顯微鏡觀察 V 型微結構在不同樣 品之上的密度。在顯微電性分析方面， 則是使用 NT-MDT 公司生產的 Solver P47H 原子力顯微鏡系統，搭配表面蒸 鍍 10nm 厚的 AFM 探針進行電性量 測。我們利用輕敲式掃描模式(tapping mode)，藉由探針振幅大小反推出探針 尖端和表面之間所受到的靜電力，進而 得到局域的表面電位值。另外利用接觸 式掃描模式(contact mode)，在導電探 針上外加偏壓，我們可以從電流放大器 得到局域電流的分布。五、結果與討論
對 於 調 變 低 溫 緩 衝 層 的 成 長 厚 度，我們可以成功地製備具有不同密 度 V 型微結構的氮化鎵薄膜。經由光 學顯微鏡，可以訂出 V 型微結構的密 度分別為 4.1×105 , 1.0×106以及 1.0×107 cm-2。我們同時利用掃描電子顯微鏡 (SEM)觀察一個單一個 V 型微結構， 發現 V 型微結構邊緣呈現對偁的六角 形，大小大約在數百奈米左右，六個 側壁我們認為可能是氮化鎵的{1011} 面[2]。在這三片不同密度的氮化鎵樣 品上製備大面積蕭特基二極體，我們 可以從電流－電壓(current-voltage)以 及 電 容 － 電 壓 (capacitance-voltage) 關 係得到 V 型微結構密度對薄膜電性的 影響，如圖一所示。我們發現到當增 加 V 型微結構密度時，蕭基二極體具 有 較 大 的 反 向 偏 壓 漏 電 流 (leakage current)以及較低的金屬－半導體能障 高度(schottky barrier height)。圖一 不同密度 V 型微結構氮化鎵薄 膜的大面積電性量側 依據傳統對於半導體表面能帶結 構的關係，對於同樣的金屬－半導體 接面，增加 V 型微結構為何會產生不 同的能障高度是個相當奇特的現象。 我們認為由於這些樣品的塊材濃度以 及載子遷移率都相當接近，因此有可 能是因為 V 型微結構的生成造成表面 能帶的扭曲，以致於影響能障高度。 近年來已有許多研究群利用 X 光 光電子能譜(XPS)發現在氮化鎵裸露 表 面 上 ， 由 於 電 子 被 表 面 能 態 所 吸 附，因此形成能帶彎曲的現象[3]。但 是因為空間解析度較低，仍無法對於 表面次微米級的微結構進行能帶彎曲 的測量。為了解決這樣的問題，我們 利用原子力顯微鏡所具備的高空間解 析能力，從探針的受力情況得到奈米 等級的局域表面電位分布。
當導電探針接近樣品表面時，由 於氮化鎵和 Pt 探針的功函數不同，針 尖與表面之間所形成的電容便形成了 針尖所受的靜電力。當我們對探針外 加適當的直流偏壓以補償功函數的差 異後，可以消除探針的受力。從功函 數，外加偏壓大小以及與真空能階之 間的關係，可以很容易的得到局域的 半導體能帶彎曲程度。這種在尚未蒸 鍍金屬之前的能帶彎曲量，我們稱之 為裸露表面能障高(bare surface barrier height)。 圖二 不同 V 型微結構氮化鎵薄膜中 (0001)面之表面電位量側 如圖二所示，我們首先發現當樣 品表面 V 型微結構密度增加時，就算 是位於平坦處(0001-面)的位置，裸露 表面能障高度也隨著 V 型微結構的密 度而增加，相反的，金屬－半導體接 面的蕭特基能障高度卻隨之降低。我 們認為表面能態密度較大的區域，電 子將被束縛在深層的表面能態當中， 因此為了達到熱平衡，在尚未有金屬 蒸鍍之前，半導體表面便會形成一個 空乏區以平衡電中性，並且導致能態 的 向 上 彎 曲 。 經 由 修 正 過 後 的 Cowley-Sze 模型[4]: BSBH S M BN = Φ − + − Φ Φ γ( χ ) (1 γ) 當中我們可以從金屬－半導體接面蕭 特基能障高度(ΦBN)以及裸露能障高 度(ΦBSBH)的關係定性地得到表面能態 密度。我們發現，雖然尚未得知原因， 但是我們可以確定當 V 型微結構密度 由 105增加到 107時，氮化鎵樣品表面 平坦處的表面能態密度同時從 1.8× 1012增加到 3.7×1013 cm-2。 除此之外，我們也同時得到對於 V 型微結構本身的表面電位分布。對於 一個大小在 1 微米左右的 V 型微結 構，表面形貌和表面電位分布的同步 量側結果如圖三所示。 圖三 對於單一個 V 型微結構的表面 形貌與電位分布 在單一個 V 型微結構當中，我們 可以很明顯地觀察到，接近倒金字塔 型 中 心 的 表 面 電 位 比 平 坦 處 的 來 的 低，代表在 V 型微結構擁有較高的裸 露表面能障以及表面能態密度。除此 之外，在島金字塔的三條對角稜縣的 區域，和單純的六個側壁晶面鄉比我 們 也 發 現 到 具 有 較 高 的 裸 露 表 面 能 障，對此我們認為有可能是因為表面 吸附雜質原子或是表面斷鍵(dangling bond)在兩個側壁經面相交位置較單一 個晶面本身來的大的原因。 除了表面電位的空間解析，我們 也利用接觸式掃描模式進行對於一個 V 型微結構的局域電流研究，如圖四 所示。 圖四 V 型微結構的局域電流分布
圖四(a)為一個典型的 V 型微結 構，(b)(c)分別是對於這一個微結構做 同步的反向偏壓及順向偏壓局域電流 掃描。我們發現到在探針－表面為順 向偏壓時，V 型微結構內的電流分不 遠較平坦處為大，而且幾乎所有晶面 都呈現這個趨勢。反之，再反向偏壓 的情況之下，卻只有晶面與晶面相交 處的稜線具有更大的反向漏電流。圖 四(d)是對於平坦處，V 型微結構單一 側壁以及稜線位置的局域電流－電壓 譜圖(current-voltage spectroscopy)，可 以很清楚地發現到在 V 型為結構的稜 線部分具有極大的漏電流，我們認為 這是造成如圖一所示，增加 V 型微結 構密度會造成大面積元件反向漏電流 的原因。除此之外，利用原子力顯微 鏡探針，也可以從局域電流電壓譜圖 得到金屬－半導體蕭特機能障高度， 從圖四(d)我們發現 V 型微結構隻內的 蕭特基能障高度較平坦處為低，而稜 線的部分又較單一斜面更低，這個結 果和之前圖三所得到的表面電位分部 是相當吻合的。
六、結論
利用之前本實驗室所得到的顯微 微光譜，以及本期計畫所使用的顯微電 性量側，我們發現對於氮化鎵表面倒金 字塔型的 V 型微結構具有相當獨特的 光電特性。局域表面電位研究顯示出， V 型微結構中側壁部分和(0001)內在 裸露表面具有較高的能帶彎曲，經由 Cowley-Sze 關係式發現此處的表面能 態密度較平坦處大約一個數量級。除此 之外，側壁部分電流－電壓關係成整流 特性，並且比平坦處擁有較小的起始電 壓。但是我們也同時發現，在倒金字塔 結構的對角稜線位置，反而具有較其餘 位置高一個數量級以上的反向偏壓漏 電流。由顯微電性量測的結果，我們認 為控制氮化镓表面 V 型微結構的密度 將直接影響元件的電性。依照大面積蕭 特基二極體的電性量測，我們發現到增 加 V 型微結構密度會導致較低的起始 電壓，以及較高的反向漏電流。 在接下來的計畫執行期間，我們將 利用變溫顯微電性量測對於這些微結 構進行更進一步的物理特性研究，並探 討如何應用在氮化物元件製備之上。七、參考資料
[1] H. -Y. Huang et al. J. Appl. Phys. 95, 2172 (2004) [2] Z. Liliental-Weber et al. Phys. Rev. Lett. 79, 2835 (1997) [3] C. I. Wu et al. J. Vac. Sci. Tech. B 16, 2218 (1998) [4] V. M. Bermudez, J. Appl. Phys. 86, 1170 (1999) [5] S. J. O’Shea et al. J. Vac. Sci. Tech. B 13, 1945 (1995)
