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行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

寬能隙半導體氮化鎵電子特性之研究 (III)

中 華 民 國 92 年 11 月 7 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

■ 成 果 報 告

□期中進度報告

寬能隙半導體氮化電子特性之研究﹙III﹚

計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫

計畫編號：NSC 91－2112－M－110－016

執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日

計畫主持人：羅奕凱

共同主持人：

計畫參與人員：

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 ■完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

■出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、

列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：國立中山大學物理學系

中 華 民 國 九十二 年 十 月 三十一 日

（一）中文摘要

關鍵詞：霍爾效應（Hall Effect）, 二維電子氣 (2DEG) , 氮化鎵 (GaN) , 分子束磊 晶 (MBE)

目前寬能隙半導體材料氮化鎵已經被廣泛地研究，且被成功地應用於藍光光源 的發光二極體（LED）之光電元件。但是距離藍光二極體雷射（LD）之應用仍不成 熟。因二極體雷射元件對材料本身的量子結構品質的要求較高，而且這些發光元件 的性能良好與否，決定於量子結構內二維電子氣（2DEG）之物裡性質。而二維電子 氣的物理性質往往直接受外加雜質（doping impurity）和內在缺陷（native defect）之 影響。因此如何控制半導體量子結構之參數以提升二維電子氣之物裡性質，（所謂能 帶工程，band engineering）將是本計畫之重點工作。而研究方向仍分兩部分同時進 行：（1）氮化鎵內雜質與缺陷對電子特性之影響，（2）氮化鎵量子井結構之定性分 析。由於氮化鎵量子井結構之晶格常數與Sapphire 基底之晶格常數不相匹配，因此， 我們將特別探討，因晶格不匹配（lattice mismatch）所產生的張力（strain）對氮化 鎵量子結構特性之影響。因為本校的MBE 系統，已能成功地運轉，因此，我們將有 效地控制GaN 樣品成長並藉由能帶工程之方法求得理想的 GaN 量子結構參數，以 提升GaN 樣品之品質，做為光電元件材料之應用。 （二）英文摘要

Keywords : Hall effect , Two-dimensional Electron Gas (2DEG) , GaN , Molecular Beam Epitaxy (MBE)

The wide bandgap material GaN has been widely investigated and applied to the blue light emitting diode (LED). However, the application of GaN to the laser diode (LD) is still immature. The quality for the application of laser diode is highly demanded. The performance of the opto-eletronic devices depends on the property of 2DEG in the GaN-quantum structures which can be controlled by the doping impurity or native defect. Therefore, the proposal will be focused on the control and fabrication of high quality GaN quantum structure by using molecular beam epitaxy (MBE). The purpose will be

approached from (i) investigating the influence of impurity and defect on GaN, and (ii) charactization of the GaN-quantum structures. The techniques we used include

Shubnikov-de Hass measurement, conventional Hall measurement, transmission electron microscopy. Besides, we will also study the role of strain-induced piezoelectric effect on the AlGaN/GaN quantum wells.

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(一)前言：

本計劃主持人(羅奕凱)近年之研究重點在於探討新穎半導體量子結構中低維電 子系的物理特性，與其應用於高科技光電材料之研發。主要的研究成果包括 (1)Type II AlGaSb/InAs 量子井中二維電子-電洞系統之物理性質，(2)紅外線量子元件材料 GaInAs-based 量子井之物理性質，和(3)寬能隙半導體材料 ZnSe 和 GaN 之物理特性。 主持人對寬能隙半導體材料從早期的ZnSe 量子井系統，到目前較專注的 GaN 系 統，階有深入的研究。例如在 ZnSSe/ZnCdSe 量子井樣品中我們觀測到了“負持續光 導效應”(Negative Persistent Photoconductivity Effect) [Ikai Lo, et al. PRB 57 (Rapid communications), R6819 (1998)]，和 “二維電子間的交互作用”(electron-electron correlation) [Ikai Lo, et al. PRB 60 (Rapid communications), R11281 (1999)]。同時我們亦 發現ZnSSe/ZnCdSe 量子井的量子侷限(quantum confinement)在高溫時並不太穩定。因 此並不適合於高溫操作的光電元件之應用。[Ikai Lo, et al. Solid State Communications 120, 155 (2001)]。因為 ZnSe 系統之寬能隙量子結構有其侷限性，所以主持人近兩年把 研 究 重 心 集 中 於 GaN 系統而且初步成果豐碩。包括 “threading dislocation” 對 InGaN/GaN multiple quantum wells 之影響 [Ikai Lo, et al. Appl. Phys. Lett. 74, 2167 (1999)]，和 “Piezoelectric effect” 對 AlInGaN/GaN 之影響 [Ikai Lo, et al. Appl. Phys. Lett. 80 (accepted, Feb., 7, 2002)]。針對以上所述 GaN 系統之研究，本校已經由校長專 案成立 “MBE 實驗室” (位於物理館 D3009 室)。MBE 系統已經組裝完成，目前正運轉 中。我們希望本校的MBE 系統所成長的樣品能提供國內在 GaN 研究較好之樣品，提 昇國內研究條件，以使與國際上其他研究群競爭。 (二) 研究之背景及目的： 寬能隙藍光半導體材料近年來在世界各地被廣泛的研究，而由其所製成的藍光二 極體（LED）和雷射二極體（LD）具有很高的應用潛力，例如應用在高密度與高容量 的電腦儲存設備、全彩色顯示器、軍用短波長偵測器、高解析度的影像處理、光通訊 與交通號誌、照明設施等。再加上半導體製成的發光二極體（LED）和雷射二極體 （LD），在基本特性上具有許多的優點，包括尺寸短小輕薄、運作方便、工作電壓低、 亮度高、耗電量小與產品壽命長等等。所以寬能隙短波長半導體發光元件的研發，目 前是世界各個半導體實驗室積極進行之重要研究工作。最近之研究背景主要有兩種系 列之樣品可製成藍光的LED 與 LD。第一種是Ⅱ-Ⅵ族的 ZnSe 系列；另一種是Ⅲ-Ⅴ族 的GaN 系列。這兩系列的材料各有優缺點，尚待克服。例如 ZnSe 的晶格常數與 GaAs 相當，因此可以用 GaAs 當基底而長成元件用的量子結構，但以 ZnSe 製成的 LD 或 LED 因電子散射時間（scattering time）相當小，所以所製成的元件壽命都不具有商業 價值。相反地GaN 已經可製成壽命很長的 LED。所以本計劃的主要目的即是研究 MBE 成長之GaN 樣品的電子特性，而研究結果回饋到 MBE 之成長機制，藉以尋找到最理

想 之 成 長 條 件 。 為 配 合 本 校 的 MBE 系 統 之 運 作 ， 我 們 目 前 分 析 各 種 的 基 底 (substrates)，最方便且直接的基底材料就是 Sapphire，初步的成果顯示，在 MOCVD 樣品中常常出現的黃光PL 光譜消失了，換言之，MBE 成長的 GaN 樣品可降低 Yellow luminescence 雜質缺陷之產生。除了 Sapphire 之外，我們亦將嘗試以 MOCVD 成長的 GaN/Sapphire 作為 MBE 成長之基底。所以最近我們設計了簡單的 MOCVD 成長的 GaN/Sapphire，AlN/Sapphire 及 InN/Sapphire，不同基底再放入 MBE 系統中成長各種 不同的量子井結構。同時我們亦設計了MOCVD 成長的 AlGaN/GaN heterostructures， 以便用來和我們的MBE 成長的樣品做比較。目前 MOCVD 成長的基底用 wafers 將向 國內廠商訂購。我們將可獲得不同基底的 GaN-based 量子井結構樣品。得到了 GaN-based 量子井結構樣品後我們將應用能帶工程之方法來探討 GaN 之物理特性。 （三）文獻探討：

在半導體量子結構材料之研究中，應用能帶工程之方法，可明顯提升元件之物理 特性，以量子井結構製成之光電元件如LED 及 LD 等其性能良好與否取決於量子井內 的二維電子氣（2DEG）之電子特性。雖然目前能成功地以 MOCVD 成長 InGaN/AlGaN 之藍光LED，仍然面臨許多問題，例如 n-type carrier 濃度太高，p-type doping 之效率 太低，樣品的 dislocations 密度太高等等。例如在 MOCVD 成長的樣品中，我們經由 TEM 的影像可清楚看到高密度的 threading dislocations [註 1]。因為 MOCVD 之成長樣 品有許多缺點，因此最近有些人，嘗試以MBE 方法成長 GaN 之樣品，且獲得了高品 質的AlGaN/GaN heterostructure，其電子的 mobility 可達 1500cm2/V·s [註 2]。因此， 我們相信以一般的Ⅲ-Ⅴ族半導體，如 GaAs 系統而言，MBE 成長的樣品品質皆比 MOCVD 成長的樣品要好很多。同樣地，只要能尋找到理想的成長條件，亦能以 MBE 成功地長成高品質的GaN 樣品。 在晶體成長過程中，由於所選擇的量子井與基底之間之晶格常數不相匹配而生晶 體缺陷（defect）或錯植（dislocation），因此在設計半導體材料時，尋找合適的基底 （substrate），使其晶格常數能配合（lattice-match），可減少晶體缺陷或錯植之產生。 例如，因為目前的長晶技術可以製成非常純的矽（Si）和砷化鎵（GaAs）的晶體，所 以此兩晶體常被用來作半導體材料的基底。如果樣品的晶格常數在5.43Å 附近時，可 以用矽當基底；如果晶格常數在5.67 Å 附近可以用 GaAs 當基底，可獲得很好的樣品 [註 3, 4]。但是有時候雖然樣品的晶格常數遠大於 GaAs 的晶格常數，因無其他更好選 擇，我們亦選用 GaAs 當基底，此時為了避免晶格常數的不匹配而影響樣品之特性， 我們往往會在基底與樣品之間加一個緩衝層（Buffer layer）來緩和因 lattice mismatch 而產生的張力（strain）。例如在 InAs/AlGaSb [註 5, 6, 7, 8] 和 InAs/InGaSb [註 9]，甚 至HgTe/CdTe [註 10]，ZnSSe/ZnCdSe [註 11, 12]，我們所用之樣品皆以 GaAs 當基底， 外加一個Strain-Layer-Super lattice 當緩衝層，亦可得到高品質的樣品。此外最近晶格 常數約等於5.88 Å 的磷化銦（InP）亦常被拿來當基底，例如 AlInAs/GaInAs 量子井其 晶格常數與InP 相當，即是以其作基底而得到高品質之樣品 [註 13, 14, 15, 16, 17]。因 此在製造量子結構材料時，我們可以選擇合適之基底（如Si, GaAs 或 InP），以減少晶

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格缺陷的產生，甚至尋找新的基底材料，如用Sapphire 當 GaN 之成長基底。

除了缺陷會影響電子特性外，外加雜質（doping impurity）亦會影響二維電子氣之 特性。在半導體量子井中，為了提供導電的自由載子（Carrier），我們可以在位能障層 裡（potential barrier）加入一些雜質而成為 Donor 或 Acceptor，Donor 雜質可提供自由 電子，而成為n-type 的樣品；相反地，Acceptor 提供自由電洞而成為 p-type 的樣品。 除了雜質的選擇之外，我們亦可以改變不同的種植技術（doping technique）以提升樣 品之電子特性。最常用的種植技術就是所謂的modulation–doping technique，就是在量 子井和外加雜質層間加一層 undoped spacer。這個 spacer 可以減少量子井內的自由電 子與雜質層之帶電離子之間的庫侖力而使自由電子的mobility 提高許多。最近新的技 術δ-doping technique 即是此技術之應用而使量子井的電子特性明顯提升 [註 4, 11, 13, 14]。如前所述，半導體量子井之電子特性決定於量子井內的二維電子氣，而此二維電 子氣的次能帶（subbands, E0, E1, E2,……）是可調的（tunable），例如位能障的高度（barrier

height, ∆Ec）可經由改變合金的組成（x, y）而改變，我們還可以改變量子井的寬度（well

thickness），越高的位能障及越窄的量子井厚度，二維電子氣的量子效應（quantum confinement）越明顯，而使次能帶之間距 ∆E01變大。此外，外加雜質於位能障層時，

因為庫侖力而產生的內電場（internal electric field）會使能帶傾斜（band bending），而 使正方形的量子井變成三角形。而二維電子氣在三角形之量子井其特性亦有變化，此 時若改變undoped spacer 的厚度會影響能帶傾斜之大小，而改變量子井內二維電子氣 之特性 [註 15]。

針對MBE 成長的 GaN 量子井樣品，為了分析其物理特性，我們將測量其電子傳 導性質（Electronic transport properties）和光學性質（Optical properties），而測量之結 果將與理論能帶的計算相驗證，以便完全了解新材料之物理意義。電子傳導性質包括 電子密度、有效質量和 mobility 等，可由傳統的霍爾效應（Hall effect）測量，或是 Shubnikov-de Hass 效應加以分析。而二維電子氣的光學性質，例如吸收光譜決定於 bandgap 之大小；此外，外加雜質能階（impurity level）和缺陷能階（defect level）亦 會影響電子的激發光譜。可經由(1) photoluminescence (2) photoreflection 之測量光譜而 求得bandgap 及 impurity level 之大小。我們也可以由 Cyclotron Resonance 的測量求得 電子密度及有效質量，與Shubnikov-de Hass 之結果相驗證 [註 16，17]。理論能帶之 計算可以幫助我們了解半導體量子井的物理性質。例如在AlGaSb/InAs 量子井中我們 的合作者J. P. Cheng 發現了新的 Cyclotron Resonance 信號（x-line）[註 18]，而此信號 隨著磁場的改變而變化，這新的x-line 可能是由於 ground exciton state 所產生的 [註 18]。然而，本校的蔣志純與蔡秀芬兩位教授重新計算此系統的能帶結構，發現 “conduction-valence Landau level mixing effect” 亦可以解釋此新發現的 x-line[註 19]。 因此本研究群的理論計算部分仍將沿用 “k·p finite difference method” [註 20]之方法 計算量子井新材料的能帶結構。最近我們在AlGaN/GaN heterostructures 之研究中，發 現很明顯地 Piezoelectric effect 對導電電子性質之影響。此效應可改變二維電子氣的 quantum confinement 而直接影響其光電元件之功能[21]。

[參考資料]

[1] Ikai Lo, K.Y. Hsieh, S.L. Hwang, Li-Wei Tu, W.C. Mitchel, and A.W. Saxler, “Effect of threading dislocations on electron transport in In0.24Ga0.76N/GaN multiple quantum

wells”, Appl. Phys. Lett. 74, p. 2167 (1999).

[2] M.J. Murphy, et al, Appl. Phys. Lett. 75, pp. 3653 (1999).

[3] Ikai Lo, W.C. Mitchel, R.E. Perrin, R.L. Messham and M.Y. Yen(1991), “Two dimensional electron gas in GaAs/Al0.3Ga0.7As heterostructure: effective mass”, Physical

Review B 43, pp.11787- 11790.

[4] Ikai Lo, M.J. Kao, W.C. Hsu, K.K .Kuo, Y.C. Chang, H.M. Weng, Jih-Chiang, and Shiow-Fon Tsay(1996), “Photo-induced electron coupling in δ-doped GaAs/In0.18Ga0.82As quantum wells”, Phys. Rev. B 54, p.4774.

[5] Ikai Lo, W.C. Mitchel, M.O. Manasreh, C.E. Stutz and K.R. Evans(1992), “Negative persistent photoconductivity in the Al0.6Ga0.4Sb/InAs single quantum wells”, Applied

Physics Letters 60, pp.751 -753.

[6] Ikai Lo, W.C. Mitchel and J.-P. Cheng(1993), “Magnetic-field-induced free electron and hole recombination in the AlxGa1-xSb/InAs quantum wells”, Physical Review B 48,

pp.9118-9121.

[7] Ikai Lo, W.C. Mitchel and J.-P. Cheng(1994), “Electron properties of AlxGa1-xSb/InAs

quantum wells”, Physical Review B 50, p.5316.

[8] Ikai Lo, W.C. Mitchel, S. Elhamri, R.S. Newrock and R. Kaspi(1994), “Observation of negative persistent photoconductivity effect in the In0.25Ga0.75Sb/InAs quantum wells”,

Applied Physical Letters 60, pp.1024- 1026.

[9] Ikai Lo, J.-C. Chiang, S.-F. Tsay, W.C. Mitchel, M. Ahoujja, R. Kaspi, S. Elhamri, and R.S. Newrock(1997), “Effect of well thickness on the two-dimensional electron hole systemin AlxGa1-xSb/InAs quantum wells”, Physical Review B 55, p.13677.

[10] Ikai Lo, W.C. Mitchel, K.A. Harris, R.W. Yanka, L.M Mohnkern, A.R. Reisinger and T.H. Myers(l993), “The Wannier-Stark quantization by internal field in the HgTe/CdTe superlattice”, Applied Physical Letters 62, pp.l533-1535.

[11] Ikai Lo, S.J. Chen, Y.C. Lee, Li-Wei Tu, W.C. Mitchel, M. Ahoujja, R.E Perrin, R.C. Tu, Y.K. Su, W.H. Lan and S.L Tu (1998), “Negative persistent photoconductivity effect in ZnSSe/ZnCdSe quantum wells”, Phys. Rev. B 57 (Rapid communications), p. R6819.

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electron-electron interactions on two-dimensional electron gas in II-VI ZnSSe/ZnCdSe quantum wells", Phy. Rev. B 60 (Rapid Communications), p. R11281.

[13] Ikai Lo, W.C. Mitchel, M. Ahoujja, J.-P. Cheng, A. Fathimulia and H. Hier(1995), “Second subband population in δ-dopped Al0.48In0.52As/ Ga0.47In0.53As

heterostructures” ,Applied Physical Letters 66, p.754.

[14] Ikai Lo, D.P. Wang, K.Y. Hsieh, T.F. Wang, W.C. Mitchel, M. Ahoujja, J.-P. Cheng, A. Fathimulla and H. Hier(1995), “Persistent photoconductivity effect in δ-dopped Al0.48In0.52As/Ga0.47In0.53As heterostructures”, Physical Review B 52, p.l4671.

[15] Ikai Lo, W.C. Mitchel, P.W. Yu, A. Fathimulla and H. Hier(1996), “Effect of barrier on the two-dimensional electron gas in δ-dopped GaInAs based quantum wells”, J. Applied Physics 79, pp.9196-9.

[16] Ikai Lo, J.-P. Cheng, Y.F. Chen, and W.C. Mitchel(1996), “Effective mass of two-dimensional electron gas in δ-dopped GaInAs/GaInAs qtutntum wells”, J. Applied Physics 80, pp.3355-9.

[17] Ikai Lo, Y.C. Chang, H.M. Weng, Jih-Chen Chiang, W.C. Mitchel (1997), “Two-dimensional electron gas in δ-dopped double quantum wells for photo-detector application”, J. Applied Physics (Communications) 8l, p.8112.

[18] J.-P. Cheng, J. Kono, B.D. McCombe, Ikai Lo, W.C. Mitchel and C.E. Stutz(1995), “Evidence for a stable excitonic ground state in a spatially separated electron-hole system”, Physical Review Letter 74, p.450.

[19 ] Jih-Chen Chiang, Shiow-Fon Tasy, Z.M. Chau and Ikai Lo(1996), “Conduction-valence Landau level mixing effect”, Physical Review Letter 77, p.2053. [20] Shiow-Fon Tasy, Jih-Chen Chiang, Z.M. Chau and Ikai Lo(1997), “k·p finite

difference method: a study of the band structures and the cyclotron resonance of AlXGa1-xSb/InAs quantum wells”, Phys. Rev. B 56, p.13242.

[21] Ikai Lo, J. K. Tsai, Li-Wei Tu, K. Y. Hsieh, C. S. Liu, J. H. Huang, S. Elhamri, W. C. Mitchel, and J. K. Sheu(2002), “Piezoelectric effect on AlInGaN/Gan Heterostructures”, Applied Physics Letters 80, p.2684.

（四）研究方法及進行步驟：

本計畫的第一個研究主題，即是探討MBE 成長的 GaN 之 impurity 和 defect，研究 他們在成長過程中形成之原因與條件。GaN 樣品長成後，我們的第二研究主題即是 GaN 量子井的定性分析。使用之研究方法如下：

由於 AlN nucleation layer 有助於獲得高品質的 Ga-face 層。因此，我們首先會嘗 試在undoped 的 AlGaN/GaN 與 Sapphire substrate 間加一層 AlN nucleation layer。而此 結構已經證明可成長高品質的 AlGaN/GaN 樣品，而其電子的 mobility 可高達 1500 cm2/V·s。能成功地長成 GaN，並能掌握 impurity 和 defect 之成因後，我們嘗試 n-type 與p-type GaN，AlGaN 和 InGaN，並嘗試著用不同的 doping impurity 如 Si 和 Mg 等， 以求得最穩定的n-type 和 p-type GaN 做為定性分析與元件設計之用。

(2) 電子傳導性質分析(Electronic transport properties)

電子傳導性質分析主要是測量 GaN 樣品中的電子密度(electron density)，電子的 mobility、雜質散射、介面粗糙散射，等之影響。實驗方法包括：

(a) Shubnikov-de Haas measurement—測量電子的 density, mobility, effective mass 等。 (b) Conventional Hall measurement—可測量載子的種類(電子或電洞)，載子的濃度與

mobility，其結果可與 Shubnikov-de Haas measurement 之結果相比較。同時，從 Hall measurement 得到的載子密度隨溫度的關係，我們亦可求得提供電子的 impurity state，它的熱解離能(thermal ionization energy)，藉以了解 impurity state 之特性。

(c) I-V curve measurement—從樣品的 I-V Trace 中，我們可以了解樣品的電流與外加 電位的性質。 (d) C-V curve measurement—從樣品的 C-V 圖的測量隨溫度的影響，我們可以了解雜 質能態(impurity level)的性質及其對載子濃度之貢獻。 (3) 光學性質分析(Optical properties) 半導體量子結構光電元件中的二維電子氣決定了元件的電子特性，然而其光學性 質呈現了此元件之光電特性。二維電子氣內的電子能階在量子井中受其結構參數的影 響而改變。因此，當我們改變量子結構參數時必須能掌握其電子能階的變化。此外 impurity state 亦可由光學性質的測量了解其貢獻。我們使用的實驗方法包括： (a) PL measurement—由 PL 螢光光譜的測量，我們可以得到樣品的電子能階，導帶 與價帶間的bandgap 及 impurity level。

(b) CR measurement—Cyclotron Resonance 的測量，我們可以得到電子的能階、電子 密度、mobility 和 effective mass。並可以和 Shubnikov-de Haas measurement 得到的結 果相驗證。

(c) PR measurement—由 PR 光譜的測量，我們可以得到電子能態及 barrier height 等。 （五）研究成果：

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且運轉順利，初步結果亦顯示系統之可行性。另外，對現有之GaN 樣品分析研究及成 長技術之模擬，正在分析，依進度執行。本人的研究成果分兩部份說明：(1)以“藍光 半導體材料-- GaN”為主要研究主題，和(2)在傳統 AlGaAs/GaAs Double-barrier 和 Double-quantum well 的研究部份。研究成果豐碩，重要成果如下：

(1) 在“藍光半導體材料 GaN”部份：

世界各實驗室在“藍光半導體材料GaN”之研究中，投入大量資源與人力，研發 高品質 GaN 樣品，以為光電元件之應用。但是 GaN 樣品成長本身，長久以來，存在兩 個效應：(a) Threading dislocations, 和 (b)Piezoelectric effect。在“Threading

dislocations”的研究中，我們很早就在 InGaN/GaN multiple quantum wells 中，直接用 “穿隧式電子顯微鏡 (TEM)”觀測到螺旋型之 Threading dislocations，並且證明其對樣 品電子游移率“mobility”與溫度之關係 (µ~T3/2)，此結果與 Threading dislocation scattering 的理論相吻合。--- “Effect of threading dislocations on electron transport in InGaN/GaN multiple quantum wells”, Ikai Lo, K.Y. Hsieh, S.L. Hwang, L.W. Tu, W.C. Mitchel, and A.W. Saxler, Appl. Phys. Lett. 74, 2167 (1999). 在“Piezoelectric effect”的 研究中，我們首度探討Piezoelectric effect 對“近似四元複合物”Al0.35-InGa0.65N/GaN

之能帶的影響，我們發現加入少量的Indium atoms 能直接影響其“Piezoelectric effect”，進而影響其能帶關係。此結果對 AlxInyGa1-x-yN/GaN“四元複合物”之研究有

重要影響，且開啟對其之理論研究。而“四元複合物”在電子元件之應用上更具彈性， 因此如何對其能帶結構的影響與了解，將是我們下一步的研究重點。--- “Piezoelectric effect on Al0.35-δInδGa0.65N /GaN heterostructures”, Ikai Lo, J.K. Tsai, L.W. Tu, K.Y. Hsieh,

C.S. Liu, J.H. Huang, S. Elhamri, W.C. Mitchel, and J.K. Sheu, Appl. Phys. Lett. 80, 2684 (2002). 在“藍光半導體材料 GaN”之研究中，我們除了對已經知道的兩個效應：(1) Threading dislocations, 和 (2)Piezoelectric effect 作出貢獻外，我們在 GaN 之基礎物理 特性和樣品成長上，亦有突破與創新之研究，包括：(3) Zero-field Spin-splitting 之發現， 在對 AlxGa1-xN/GaN 異質結構的Shubnikov-de Haas (SdH)實驗中，我們確實在 x = 0.25

的樣品中，測到兩個Spin-splitting 造成的 SdH beating oscillations。經仔細分析，我們 計算得到其Zero-field Spin-splitting = 9.0 meV。此一結果提高了尖端科技領域：磁電子 學 Spintronics 之應用，如Spin-polarized field-effect transistors 的實現。此突破性的發 現，使本論文被Americal Institute of Physics (AIP) 的編輯選入 2002 年 2 月 29 日出版 之 “Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology”論文集中 --- “Spin-splitting in modulation-doped AlGaN/GaN heterostructures”, Ikai Lo, J.K. Tsai, W.J. Yao, P.C. Ho, L.W. Tu, T.C. Chang, S. Elhamri, W.C. Mitchel, K.Y. Hsieh, J.H. Huang, H.L. Huang, and W.C. Tsai, Phys. Rev. B 65 (Rapid Communications), 161306 (2002)。

(2) 在傳統 AlGaAs/GaAs Double-barrier 和 Double-quantum well 的研究部份：

在GaAlAs/GaAs 的 Double-quantum well 中，我們測量到第二次能帶之 Shubnikov-de Haas oscillations，並發現其有效質量隨磁場增加而增加，此效應是由於

electron-correlation 之 many-body effect 影響。--- “Second subband population of 2DEG in strongly coupled GaAs/AlGaAs double quantum wells”, Ikai Lo, J.K. Tsai, P.C. Ho, W.J.

Yao, C.H. Chang, J.C. Chiang, L.W. Tu, and Q.X. Zhao, Phys. Rev. B67, 195317 (2003).

本人在半導體物理之研究，獲得多位國際學術與出版界之肯定，包括：在

1996 年應編輯 Roy Benedek 之邀擔任期刊 J. of Applied physics 和 Applied

physics Letters 之審稿人，和 2000 年應 Physics Review B 之編輯 Peter D. Adams

之邀請擔任Physical Review 和 Physical Review Letters 之審稿人。這幾年裡共

審閱了稿件：1 篇 PRL、9 篇 PRB、7 篇 APL 和 7 篇 JAP (至 2003/6/20 止)。 由於主持人在半導體新材料之研究上傑出成就，去年並獲得國際書商 Transworld Research Inc 之編輯 Dr. W. Cai (e-mail: [email protected])之邀

請，在其所主編之 Review Book: “Compound Semiconductor Heterostructures:

Physics and Applications”，撰寫一章節。由主持人所執筆撰寫之 Review Article: “Electronic Properties of III-VI semiconductor Heterostructures”，被編入該書第二 章，已在本年度內付梓。