行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
氮化物材料及結構之光電特性顯微偵測之研究
計畫編號：NSC
90-2112-M-009-040
執行期限：90 年 8 月 1 日至 91 年 10 月 31 日
主持人：李明知 交通大學電子物理系
一 、中 文 摘 要 利用有機金屬氣相磊晶法成長之砷摻雜 氮化鎵薄膜於不同的磊晶溫度。 相較於氮化鎵薄膜，砷摻雜之薄膜於較低 的長晶溫度可以得到較佳的電子遷移率、較窄 的冷激光光譜線寬及較長的相干長度等。 關鍵詞： 氮化鎵、同電子性砷摻雜、拉曼散射、空間相 干長度、冷激光光譜、電子遷移率 A b s t r a c tAs-doped GaN films were grown at different temperatures by atmospheric metal-organic chemical vapor deposition.
Higher electron Hall mobility, narrower line width in photoluminescence, and longer spatial correlation length were obtainable at lower growth temperatures than those of undoped GaN grown at the corresponding temperature as a result of isoelectronic As-doping.
Keywor ds:
GaN, Isoelectronic As-doping, Raman scattering, spatial correlation length, photoluminescence, and Hall mobility
二 、緣 由 與 目 的 在過去的幾年當中，氮化鎵等三族氮化物 材料受到極大的關注，原因在於其廣泛的應用 用途，諸如藍、綠光發光二極體、藍-紫外光 波段雷射二極體及高溫高頻之電子元件應用 等1,2
。
對於主要的三族半導體化合物，由於同電 子性摻雜技術(isoelectronic doping technique) 的發展，可以有效的提升材料晶體結構特性、 電子遷移率及樣品的螢光放光效率等 3,4。在 最近的研究中指出，銦(In)的同電子性摻雜可 以有效地改善氮化鎵薄膜的光電特性、表面平 整度及降低缺陷密度。報告中並指出，其主要 的 改 善 因 素 在 於 銦 扮 演 了 表 面 活 性 劑 (surfactant)的角色而改進了薄膜的品質5,6,7,8。 然而在五族的元素中，諸如磷(P)、砷 (As)、銻(Sb)等亦可以當成是摻雜的材料，改 善氮化鎵薄膜的光電特性。其中對於砷摻雜的 研究中，如 Guido 等人報告中指出提升了電子 遷移率 9、有效地抑制黃光的發生 10、而 Li 等人亦指出砷相關的深層能階的放光光譜範 圍落在 450 nm ~ 480 nm。 在氮化鎵薄膜中，由於氮原子與鎵原子有 較高的結合能(bonding energy)，且 NH3在較低的溫度下，其分解效率較差。因此，對於成長 高品質的氮化鎵薄膜，較高的溫度需求是必要 的。在其他研究群的研究中指出最佳化的成長 溫度區間落在 1000 oC 至 1080 oC12,13,14,15。不 幸地是，以較的高的溫度成長也伴隨一些寄生 反應，進而降低成長速率、摻雜率及破壞薄膜 的品質。 在本計畫中，我們研究在砷輕摻雜的情況 下之氮化鎵薄膜光電特性，並改變我們的磊晶 溫度，範圍由 900 oC 至 1050 oC。結果我們發 現可以將砷摻雜的氮化鎵薄膜的磊晶溫度降 至 950 oC，並且與未摻雜的氮化鎵薄膜比較， 我們發現薄膜的品質並沒有太大的下降。 三 、結 果 與 討 論 Fig.1 顯示了未摻雜及砷摻雜之氮化鎵薄 膜之霍爾濃度及電子遷移率的量測結果。如圖 中所示，對於未摻雜之氮化鎵樣品，當磊晶溫 度由 1050oC 減少至 950oC 時，可以發現載子 濃度保持在 8×1018cm-3，但電子遷移率則由 150cm2/V-s 減至 30cm2/V-s。另一方面，當砷 原 子 摻 雜 入 氮 化 鎵 薄 膜 時 ， 載 子 濃 度 由 3×1018cm-3迅速地下降至 6×1017cm-3，但是電 子遷移率幾乎維持在 135cm2/V-s 而沒有太大 的變化。解釋這種情況是因為在氮化鎵材料 中，氮空缺(VN)貢獻了很高的電子背景濃度， 而當砷摻雜之後，砷原子填入了氮空缺的位 置，而在較低的溫度時，砷原子進入的量較高 溫時來得大而導至載子濃度大幅的下降。我們 的實驗結果顯示，這種砷填入氮空缺的效應在 磊晶溫度 950oC 時比 1050oC 來得明顯。但是 當我們將磊晶溫度下降至 900oC 時發現載子 濃度大致維持不變但電子遷移率則巨幅的下 降至 50 cm2/V-s 左右。這樣子的結果顯示雖然 更低的溫度會導致砷的溶入率更高，但是在這 樣的溫度下成長氮化鎵薄膜則會產生較多的 結構缺陷，關於此點，後面的結果將更進一步 的說明。 Fig.1 氮化鎵薄膜及砷摻雜氮化鎵薄膜之磊 晶溫度相關的霍爾濃度及電子遷移率。 由上面的結果可知，由於砷的同電子性摻 雜之應用，我們可以有效地降低電子的背景濃 度，並將磊晶溫度下降至 950oC，這都是由於 砷對於氮空缺有補償的作用。 在磊晶的過程中，有兩個機制會互相的影 響並改變材料的結構特性。第一個機制是砷原 子的溶入率，會隨著溫度的下降而上升，因此 可以有更多的砷原子來修補氮空缺，進而提升 薄膜的品質。第二個機制則正好相反，當溫度 下降時，將產生更多的氮空缺及結構缺陷，抑 制了薄膜的品質。由我們的實驗結果發現在 900oC 的磊晶溫度時，第二個機制的影響力將 大於第一個機制。 為了研究砷摻雜對於氮化鎵材料晶體結 構的影響，我們使用了微拉曼光譜(µ-Raman) 來 測 量 樣 品 的 六 角 結 構 對 稱 性 (E2 模 態 特 性)。其微拉曼量測的結果如 Fig. 2 所示。
Fig. 2 (a),(b),(c),(d)為砷摻雜之拉曼譜線，其 磊晶溫度分別為 1050oC,1000oC,950oC 及 900 oC。(e), (f), (g)則是未摻雜氮化鎵薄膜分別成 長於 1050oC, 1000oC 及 950oC。插圖顯示為樣 品相干長度之變化趨勢。 我們可以看到圖中的 E2模態的強度變化 大約在 2 倍左右，中心頻率的位移在 2cm-1以 內。可以明顯的發現到譜線的形狀並不對稱， 其可能的原因是因為聲子在有限的距離的傳 遞過程中，一些鬆弛效應的影響導致聲子的動 量並不守恆，進而影響譜線的形狀。為了分析 拉曼光譜與結構品質的關係，我們利用下面的 關係式來討論氮化鎵薄膜相干長度(correlation length)17,18,19
∫
Γ
+
−
−
∝
d
q
q
L
q
I
3 2 0 2 2 2)
2
(
)}
(
{
)
4
exp(
)
(
ω
ω
ω
其分析的結果如插圖所示，砷摻雜的氮化 鎵薄膜的相干長度由 46 nm 變化到 15 nm 當磊 晶溫度由 1050oC 下降至 950oC 時。另一方面， 當未摻雜的氮化鎵薄膜磊晶溫度由 1050oC 降 至 950oC 時，相干長度由 46 nm 快速地下降至 10 nm。總結的說，對於不同的磊晶溫度，砷 摻雜氮化鎵薄膜的相干長度都大於未摻雜之 樣品。而相干長度的指標性意義在於代表聲子 在傳遞的過程之中未受到其他的缺陷態碰撞 而散射之平均長度，相干長度較長代表薄膜中 的缺陷愈少，薄膜的品質愈高。 Fig. 3 (a),(b),(c),(d)為砷摻雜氮化鎵薄膜之 PL 譜線，其磊晶溫度分別為 1050 oC,1000oC, 950oC 及 900oC。(e), (f), (g)則是未摻雜氮化鎵 薄膜分別成長於 1050oC, 1000oC 及 950oC。譜 線顯示黃光區被明顯的抑制而顯得不重要。 而對於未摻雜及砷摻雜的氮化鎵薄膜，我們 也做了光性的研究，其結果如 Fig. 3 所示。所 有溫度的樣品都呈現了極強的近能帶隙放射 譜線(near band-edge emission, I2)，其位置為357 nm，而且黃光區的譜線強度都相當地弱， 顯示了大部分缺陷所造成的深層能階都獲得 改善。另外，摻雜與未摻雜樣品的 I2譜線的寬
度也隨著磊晶的溫度而變化，其結果如 Fig. 3 插圖所示，當磊晶溫度由 1050oC 變化至 900oC 時，譜線之半高寬由 27 meV 緩慢的增加到 40 meV，而未摻雜的樣品則由 33 meV 快速地增 加至 70 meV，這顯示砷的摻雜可以改善薄膜 的發光特性，並使得在較低的磊晶溫度可以獲 得較未摻雜更佳的樣品。 四 、結 論 我們研究了不同磊晶溫度下摻雜與未摻 雜砷之氮化鎵樣品。結果顯示在未摻雜砷之氮 化鎵樣品在較低的磊晶溫度下難以得到較佳 的光、電及結構特性。由霍爾的量測可以發現 砷摻雜可以抑制氮空缺的濃度並進而改善薄 膜品質，而在微拉曼光譜與冷激光激發光譜的 研究結果亦同意這樣的看法。 五 、參 考 文 獻
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