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研究生： 賴世國
論文名稱： 氮化鋁鎵孕核層中鋁原子偏析之研究
指導教授： 開執中
陳福榮
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年： 2001
畢業學年度： 89
語文別： 中文
論文頁數： 95
中文關鍵詞： 氮化鋁鎵 、孕核層 、偏析
外文關鍵詞： AlGaN, buffer layer, segregation
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    • 摘要
    本次實驗藉由穿透式電子顯微鏡（TEM）以及X光能量分散譜儀（EDS）觀察氮化鋁鎵（AlxGa1-xN）孕核層（buffer layer）中鋁原子濃度與差排之間相互的關係，並分析氮化鋁鎵孕核層與6H-SiC基板之間的界面顯微結構。

    氮化鋁鎵孕核層經由有機化學氣相沈積法（MOCVD）成長完後，由於孕核層與基板之間晶格常數的不匹配導致差排大量產生，實驗中發現，當鋁原子濃度越高時，會造成孕核層中差排密度的直線攀升，主要的原因在於界面處會產生鋁富集區，更造成孕核層與鋁富集區之晶格常數隨著濃度越高差距越大，因此晶格不匹配的程度益加明顯，遂使的孕核層中的鋁濃度越高時差排密度越高。

    孕核層中存在有三種不同型式的差排，分別為刃差排、螺旋差排以及混合式差排，不同的差排具有不同的應變場。實驗中觀察到氮化鋁鎵孕核層中的鋁原子會為了降低整體的能量，便藉由偏析至缺陷處以達到能量平衡的狀態，再加上差排本身的應變場與鋁原子之間產生相互吸引，更幫助了鋁原子偏析行為的發生，但鋁原子並不是與各種差排都能夠產生大量的偏析。以螺旋差排來說，其本身所產生的應變場是屬於晶格扭曲且為球形對稱，再加上螺旋差排的應變場又是純剪應力，因此造成鋁原子偏析的情形不易發生；相反的，刃差排則因為正向應力場使然，因而造成正向晶格應變，鋁原子便極易在差排中心附近找到適當的容納位置，偏析量自然增加；而混合式差排的偏析量則不一定，端看刃差排與螺旋差排的分量而定。

    根據HR-TEM影像及EDS量測後可發現，孕核層與基板的界面處蘊藏著鋁富集界面層，其產生的原因最主要是為了降低界面能以及調整晶格的不匹配，因為就晶格常數匹配的理論來說，若是氮化鋁鎵三元合金中的鋁原子成分比例越高時，其晶格常數與基板6H-SiC會越趨近，亦即當界面鋁含量越高時，晶格匹配程度越佳，差排的密度應該越少。但是，從實驗所得到的數據卻不是如此，鋁原子濃度越高時反而造成差排密度的增加，真正的原因即在於鋁富集層，雖然其與基板的匹配程度增加了，但是卻造成與實際的氮化鋁鎵孕核層匹配程度下滑，實驗中所發現差排密度的增加之原因則是由此而來。

    目錄 頁次 目錄 Ⅰ 圖目錄 Ⅳ 表目錄 Ⅵ 第一章、簡介 1 第二章、文獻回顧 5 2-1氮化鎵材料的發展 5 2-2發光二極體與雷射二極體元件 8 2-3基板材料特性 9 2-3.1碳化矽材料特性 10 2-4氮化鎵材料基本性質 13 2-5氮化鋁鎵孕核層 14 2-6磊晶方式及差排缺陷（Dislocation Defect） 16 2-7缺陷的影響 17 第三章、實驗方法 23 3-1氮化鎵/氮化鋁鎵之磊晶製程設備及步驟 23 3-2實驗分析設備 24 （1）照明系統（Illumination System） 25 （A）熱游離式電子槍（Thermionic Emission） 25 （B）場發射式電子槍（Field Emission） 26 （2）試片基座 26 （3）成像系統 27 3-3電鏡試片製備方法 27 3-4電子束與樣品作用 29 （1）彈性碰撞作用 29 （2）非彈性碰撞作用 29 3-5 X光能量分散光譜儀 30 （1）原子序數的影響（Atomic Number Effect；Zi） 33 （2）X射線在樣品內的吸收效應（Absorption Effect； Ai） 33 （3）螢光效應（Fluorescence Effect，Fi） 33 3-6分析方法 34 3-6-1氮化鋁鎵孕核層結構分析 34 3-6-2差排缺陷與元素相互作用關係之分析 35 3-6-2.1差排密度之簡易估算 35 （1）表面分析法 35 （2）橫截面分析法 35 3-6-2.2差排結構之研究方法 37 3-6-2.3富集原子分析 37 第四章、結果與討論 47 4-1孕核層顯微現象與微結構之分析 47 4-1-1孕核層橫截面之TEM觀測 47 4-1-2孕核層厚度與差排密度之關係 48 4-1-3鋁原子濃度與差排密度之關係 50 4-2差排形式之TEM觀測 52 4-2-1差排之鋁原子濃度定量比較 53 4-2-1.1刃差排定量 54 4-2-1.2螺旋差排定量 55 4-2-1.3混合式差排定量 55 4-2-2差排之鋁原子濃度定性比較 56 4-3 HR-TEM觀測氮化鋁鎵孕核層與基板之界面 57 4-3-1鋁富集界面層結構之HR-TEM觀測及分析 59 4-3-2 HR-TEM觀測氮化鋁鎵孕核層與基板界面之部分差排 60 4-4鋁原子之標準誤差估算及分佈統計 60 4-5偏析情形比較 61 第五章、結論 88 第六章、未來研究方向 90 參考文獻 91 圖目錄 圖2-1雙異質結構藍色發光二極體示意圖 19 圖2-2多層量子井雷射二極體結構示意圖 19 圖2-3各種碳化矽結構示意圖 20 圖2-4氮化鋅閃鋅結構與纖鋅結構之示意圖 21 圖3-1 穿透式電子顯微鏡裝置示意圖 39 圖3-2 電子顯微鏡之電子槍示意圖 40 圖3-3 各式電子槍之電子脫離材料表面示意圖 41 圖3-4 物鏡與試片樣品相關位置之示意圖 42 圖3-5 氮化鎵/氮化鋁鎵/6H-SiC試片置備流程圖 44 圖3-6 電子束入射試片樣品之一連串反應示意圖 45 圖3-7 EDS訊號處理流程圖 45 圖4-1各種不同鋁含量之氮化鋁鎵孕核層明場影像：（a）Al0.08Ga0.92N（200nm）；（b）Al0.1Ga0.9N（200nm）；（c）Al0.1Ga0.9N（400nm）；（d）Al0.3Ga0.7N（400nm） 63 圖4-2不同厚度之Al0.1Ga0.9N孕核層差排密度比較 64 圖4-3不同濃度之孕核層差排密度比較：（a）孕核層厚度200nm；（b）孕核層厚度400nm 64 圖4-4氮化鋁鎵孕核層與鋁富集（Al-rich）界面層之晶格不匹配率比較表 65 圖4-5 Al0.08Ga0.92N（200nm）孕核層之電子顯微鏡暗場像 66 圖4-6 Al0.1Ga0.9 N（200nm）孕核層之電子顯微鏡暗場像 66 圖4-7 Al0.1Ga0.9N（400nm）孕核層之電子顯微鏡暗場像 67 圖4-8 Al0.3Ga0.7N（400nm）孕核層之電子顯微鏡暗場像 67 圖4-9（a）差排及其周圍之HR-TEM影像（b）差排及其周圍之奈米光束微區繞射圖案 68 圖4-10（a）差排之HR-TEM影像；及（b）奈米級顯微區域成分偵測譜圖，（a）圖中箭號所指之處即為差排 69 圖4-11（a）Al0.08Ga0.92N（200nm）；（b）Al0.1Ga0.9N（200nm）；（c）Al0.1Ga0.9N（400nm）；（d）Al0.3Ga0.7N（400nm）之刃差排微區成分鑑定鋁含量圖 70 圖4-12（a）Al0.08Ga0.92N（200nm）；（b）Al0.1Ga0.9N（200nm）；（c）Al0.1Ga0.9N（400nm）；（d）Al0.3Ga0.7N（400nm）之螺旋差排微區成分鑑定鋁含量圖 71 圖4-13（a）Al0.08Ga0.92N（200nm）；（b）Al0.1Ga0.9N（200nm）；（c）Al0.1Ga0.9N（400nm）；（d）Al0.3Ga0.7N（400nm）之混合式差排微區成分鑑定鋁含量圖 72 圖4-14 部分差排及孕核層基地之鋁含量能量發散能譜圖比較：（a）Al0.3Ga0.7N（400nm）；（b）Al0.1Ga0.9N（400nm） 73 圖4-15 氮化鋁鎵孕核層與基板之界面HR-TEM影像 74 圖4-16 （a）Al0.1Ga0.9N之HR-TEM影像，（b）Al0.1Ga0.9N基地；（c）界面層；（d）6H-SiC之微區繞射圖形 75 圖4-17 （a）界面層之高分辨穿透式電子顯微鏡原子影像及（b）成分分佈圖 76 圖4-18（a）鋁富集層（111）之晶格結構；（b）6H-SiC基板（0001）之晶格結構 77 圖4-19（a）CaRIne Crystallography 3.1晶格模擬；（b）HR-TEM影像之纖鋅結構氮化鋁鎵孕核層和閃鋅結構的鋁富集層成長於6H-SiC基板 78 圖4-20 （a）界面層部分差排之HR-TEM影像及其（b）成分分佈圖 79 圖4-21 氮化鋁鎵孕核層中元素成分分佈趨勢圖：（a）Al0.08Ga0.92N（200nm）；（b）Al0.1Ga0.9N（200nm）；（c）Al0.1Ga0.9N（400nm）；（d）Al0.3Ga0.7N（400nm） 80 圖 4-22 傳統金屬合金與氮化鋁鎵孕核層之原子偏析比較 82 表目錄 表2-1 氮化鎵材料與各種基板之基本資料 22 表3-1 各式電子槍之性能比較 46 表4-1 試驗試片編號及參數表 83 表4-2 各組試片之差排密度比較表 83 表4-3 各組試片之氮化鋁鎵孕核層與其鋁富集界面層之晶格匹配比較表 84 表4-4 各組試片之氮化鋁鎵孕核層中刃差排與基地之鋁含量比較表 85 表4-5 各組試片之各式差排鋁含量比較表 85 表4-6 鋁富集界面層與氮化鋁鎵孕核層及6H-SiC基板之間匹配程度比較表 86 表4-7 各組試片之不同區域成分分佈及其標準誤差 87

    參考文獻
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