臺灣博碩士論文加值系統

本篇論文探究以有機金屬化學氣相沉積法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition；MOCVD)成長之氮化銦鎵/氮化鎵多重量子井(InGaN/GaN Multiple Quantum Wells)之光學及微結構性質。氮化銦鎵量子井中，由於 相分離緣故，導致其內包覆著銦富集區域，亦即氮化銦鎵類量子點，此種結構將影響此發光二極體之光學及結構特性。本篇論文主要藉由螢光激發光譜(PL)進行薄膜光學性質之整合性研究；再利用X 光繞射(HRXRD)解析薄膜之結晶性及界面特性；同時藉由掃描式電子顯微鏡(SEM)及高解析穿透式電子顯微鏡(HRTEM)探究材料之微結構變化。
本論文將主要集中在：(1)不同量子井厚度的相分離現象所產生之不同的富銦(In-Rich)效應，與(2)不同的應變(Strain)現象產生不同的差排(Dislocation)結構對發光二極體整個光學性質的影響，及(3)熱處理後的光學特性與缺陷密度比較。

This dissertation explores the microstructure and optical properties ofInGaN/GaNmultiple quantum wells (MQWs) comprised of InGaN quasi-dots,which were grown by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). This dissertation with the optical properties of the samples were investigated by photoluminescence(PL) measurements. The crystallinity and interface quality of the samples were determined by x-ray diffraction(XRD). Microstructure of the samples was characterized by scanning electron microscopy(SEM) and high resolution transmission electron microscopy(HRTEM).
This study mainly focuses on : (1)Phase Separation with various thickness of quantum well, it occurs different In-rich reaction. (2)Different strain energy levels will induce different dislocation structures. The two mechanisms will be discussed in detail with the effects of luminescence reaction on LED device.(3)The relation between optical characteristic and defect density after thermal treatment will also be compared in this study.

中文摘要i
英文摘要ii
致謝iii
目錄iv
圖目錄vii
表目錄x
第一章 序論1
1-1 簡介1
1-2 研究動機4
1-3 論文架構4
第二章 文獻回顧與相關原理6
2-1 發光二極體之發光原理6
2-2 三五族半導體紹10
2-2-1 晶體結構10
2-2-2 薄膜製程12
2-3 氮化銦鎵/氮化鎵之薄膜特性14
2-3-1 應變與壓電效應15
2-3-2 相分離現象17
2-4 氮化銦量子結構20
2-4-1 量子點原理20
2-4-2 量子尺寸與量子侷限效應22
第三章 研究方法與步驟24
3-1 研究流程圖24
3-2 試片結構與製程方法25
3-2-1 試片結構25
3-2-2 成長方法26
3-3 快速熱退火(Rapid Thermal Annealing, RTA)29
3-4 光學量測29
3-4-1 光激發光(Photoluminescence, PL)29
3-5 結構分析34
3-5-1 X光繞射儀(X-ray Diffractometer)34
3-5-2 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy,SEM)38
3-5-3 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)40
3-5-4 超薄試片準備過程43
3-5-5 高解析穿透式電子顯微鏡(High Resolusion Transmission Electron Microscopy, HRTEM)44
第四章 結果與討論47
4-1 試樣結構分析探討47
4-1-1 試樣結構分析47
4-1-2 薄膜缺陷結構與量子點阻擋機制49
4-2 原始試樣之光學與結構分析52
4-2-1 不同厚度量子井下發光效率研究52
4-2-2 不同厚度表面缺陷結構之研究56
4-3 後製程熱退火處理後之結構與光學特性分析58
4-3-1 不同量子井厚度之PL量測分析58
4-3-2 退火效應61
4-3-3 薄膜缺陷結構與溫度變化之分析64
第五章 結論與未來研究67
5-1 結論67
5-2 未來研究68
參考文獻69
表目錄
表2-1 三種不同PVD法之比較13
表2-2 氮化合物及基板之晶格常數、熱膨脹係數與不匹配度對照表14
表4-1 不同量子井後度之缺陷密度計算57
表4-2 薄膜表面缺陷密度計算65
圖目錄
圖1-1 半導體材料晶格常數與能隙3
圖2-1.1 氮化銦鎵/氮化鎵能隙差8
圖2-1.2 (a)P型與N型半導體結合時在未受偏壓的情況；(b)當接上順向偏壓的時候，使電子及電洞更容易區8
圖2-1.3 (a)單異質結構；(b)雙異質結構；(c)量子井結構9
圖2-2.1 (a)閃鋅礦結構(b)纖維鋅礦結構11
圖2-2.2 由兩種組成原子不同之面心立方晶體構成的閃鋅礦結構(a)立體示意圖，(b)平面示意圖11
圖2-2.3 化學氣相沉積示意圖14
圖2-3.1 氮化銦鎵/氮化鎵多層量子井之能帶結構示意圖(a)電場=0，(b)電場≠017
圖2-3.2氮化銦鎵量子井薄膜之增幅分解反應示意圖19
圖2-3.3 氮化銦鎵/氮化鎵相位圖(a)未受應力影響(b)受應力影響呈非對稱性19
圖2-4.1 S-K成長模式21
圖2-4.2 量子井能階示意圖23
圖3-1.1 研究流程圖24
圖3-2.1 試片結構示意圖25
圖3-2.2 MOCVD圖28
圖3-3.1 快速熱退火爐(RTA)結構簡圖29
圖3-4.1 光激發光原理33
圖3-4.2 光激發光光譜裝置33
圖3-4.3 光柵放大圖34
圖3-5.1 X射線的發生象37
圖3-5.2 X射線晶體繞圖37
圖3-5.3 SEM儀器架圖39
圖3-5.4 電子束與試樣作用產生之各項特性光40
圖3-5.5 作用力與距離關係圖42
圖3-5.6 三種操作模式的示意圖(a)接觸式(b)非接觸式(c)輕敲式。其中虛線表示探針的掃描路徑42
圖3-5.7 TEM試樣製作流圖44
圖3-5.8 TEM基本構造示圖46
圖4-1.1 多量子井層成分分析(a)InGaN/GaN層數分析 (b)well層(c)barrier層48
圖4-1.2 多層量子井X-ray繞射分析49
圖4-1.3 薄膜表面形成之深層與淺層缺陷51
圖4-1.4 (a)穿透式電子顯微鏡之延伸差排圖形(b)V型缺陷俯視圖(c)V型缺陷晶軸方向與晶面示意圖51
圖4-1.5 (a)類量子點阻擋機制(b)類量子點結構52
圖4-2.1 氮化銦鎵量子井厚度3.0nm之變溫螢光光譜54
圖4-2.2 量子井厚度3.0nm之氮化銦鎵半高寬變化55
圖4-2.3 不同厚度在低溫(10K)下之光激螢光光譜55
圖4-2.4 不同厚度變溫量測下之能隙變化圖56
圖4-2.5 不同量子井厚度之掃描式電子顯微鏡表面缺陷結構圖(a)3.0nm(b)3.5nm(c)4.0nm(d)4.5nm57
圖4-3.1 各量子井厚度退火前後之PL變溫量測，厚度分別為(a)3.0nm(b)3.5nm(c)4.0nm(d)4.5nm60
圖4-3.2 各量子井厚度退火前後之半高寬變化，厚度分別為(a)3.0nm(b)3.5nm(c)4.0nm(d)4.5nm61
圖4-3.3 量子井厚度3.0nm退火前後波長變化 (a)as-grown(b)700℃量子井厚度4.0nm退火前後波長變化(a)as-grown(b)700厚度為4.0nm之SEM影像(a)as-grown (b)700℃(c)800℃(d)900℃66

中文部份
[1]林坤宏,“不同量子井厚度下之氮化銦鎵/氮化鎵多層量子井光學與結構特性之研究”, 義守大學電子工程學系,碩士論文 (2007)
[2]莊財福,“高銦含量氮化銦鎵薄膜之光學性質研究”, 國立中央大學物理研究所,碩士論文 (2005)
[3]莊惠雯,“氮化銦鎵/氮化鎵多重量子井的光激發光譜”, 國立中央大學物理研究所,碩士論文 (1999)
[4]陳隆建, “發光二極體之原理與製程” , 全華出版社 (2006)
[5]鐘大任, “氮化銦鎵/氮化鎵多重量子井結構光和結構特性研究”, 長庚大學光電工程研究所,碩士論文 (2007)
英文部份
[1]A. G. Thompson, Materials Letters 30(1997) 255.
[2]A. M. Sanchez, M. Gass, A. J. Papworth, P. J. Goodhew, P. Singh, P. Ruterana, H. K. Cho, R. J. Choi, and H. J. Lee, Thin solid films 479, 316 (2005).
[3]C. A. Tran, R. F. Karlicek Jr., M. Schurman, A. Osinsky, V. Merai, Y. Li, Eliashevich, M. G. Brown, J. Nering, I. Ferguson, R. Stall, J. Crystal Growth 195 (1998) 397
[4]C. Kim, I. K. Robinson, J. Myoung, K. Shim, M.C. Yoo and K. Kim, Appl. Phys. Lett. 69, 2358(1996).
[5]C. Kisielowski, in Semiconductor and Semimetals, edited by J. I. Pankove and T. D. Moustakas, Vol. 57, pp 275-317
[6]D. Doppalapudi, S. N. Basu, K. F. Ludwig Jr., T. D. Moustakas, J. Appl. Phy. 84 (1998) 1389
[7]E. Oh, B. Kim, H. Park and Y. Park, Appl. Phys. Lett. 73, 1883 (1998).
[8]F. Bernardini, V. Fiorentini, and D. Vanderbilt, Phys. Rev. B 56, 10024 (1997)
[9]G. Li, S. J. Chua, J. H. Teng, W. Wang, Z. C. Feng, Y. H. Huang and T. Osipowicz, J. Vac. Sci. technol. B 17, 1507 (1999).
[10]H. Amano, I. Akasaki, T. Kozawa, K. Hiramatsu, N. Sawaki, K. Ikeda, and Y. Ishii, J. Lumin. 40-41, 121 (1988)
[11]H. Amano, M. Kito, K. Hiramatsu, and I. Akasaki, Jpn. J. Appl. Phys. Part 2 28, L2112 (1989)
[12]H. Amano, N. Sawaki, I. Akasaki, and Y. Toyota, Appl. Phys. Lett. 48, 353 (1986)
[13]H. Amano, T. Asahi and I. Akasaki, Jpn. J. Appl. Phys. Part 2 29, L205 (1990)
[14]H. D. Li, M. Tsukihara, Y. Naoi, Y. B. Lee, and S. Sakai, Appl. Phys. Lett. 84, 1886 (2004).
[15]H. K. Cho, Ph.D. dissertation, KAIST, Tokyo, pp. 143-227 (2001).
[16]H.Morkoc, Nitride Semiconductors and Devices (1999) P99-112 ISBN3-540-64038-X.
[17]I. Akasaki, H. Amano, Y. Koide, K. Hiramatsu, and N. Sawaki, J. Cryst. Growth 98, 209 (1989)
[18]I. Ho and G. B. Stringfellow, Appl. Phys. Lett. 69, 2701 (1996)
[19]J. L. Sanchez-Rojas, J. A. Garrido, and E. Muooz, Phys. Rev. B 61, 2773 (2000)
[20]K. Domen, A. Kuramata, T. Tanahashi, Appl. Phys. Lett. 72 (1998) 1359
[21]K. S. Son, D. G. Kim, H. K. Cho, K. Lee, S. Kim, and K. Park, J. Cryst. Growth 261, 50 (2004).
[22]M. C. Y. Chan, E. M. T. Cheung and E. H. Li, Mater. Sci. Eng. B 59,283 (1999).
[23]P. Riblet, H. Hirayama, A. Kinoshita, A. Hirata, T. Sugang and Y. Aoyagi, Appl. Phys. Lett. 75, 2241(1999)
[24]S. C. Chung, “Physics of Optoelectronic Devices” Chap. 3, Wiley, New York (1995)
[25]S. C. Jain, M. Willander, J. Narayan, and R. Van Overstraeten, J. Appl. Phys. Lett. 87, 965 (2000)
[26]S. Nakamura, J. Appl. Phys. 30, 1705 (1991)
[27]S. Nakamura, M. Senoh, S. Nagahama, N. Iwasa, T. Matushita, T. Mukai, MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 4S1 (1999) G1.1.
[28]S. Y. Karpov, MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 3, 16 (1998)
[29]S. Yoshida, S. Misawa, and S. Gonda, Appl. Phys. Lett. 42, 427(1983)
[30]T. Deguchi, T. Azuhata, T. Sota, S. Chichibu, S. Nakamura, Mater. Sci. Eng. B 50 (1997) 251
[31]T. Uenoyama, MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 4S1 (1999) G2.9
[32]T. Wang, H. Saeki, J. Bai, T. Shirahama, M. Lachab and S. Sakai, Appl. Phys. Lett. 76, 1737(2000)
[33]Y. Narukawa, Y. Kawakami, M. Funato, Sz. Fujita, Sg. Fujita and S. Nakamura, Phys. Rev. B 55, R1938(1997)
[34]Y. Narukawa, Y. Kawakami, M. Funato, Sz. Fujita, Sg. Fujita and S. Nakamura, Appl. Phys. Lett. 70, 981(1997)
[35]Yen-Sheng-Lin,“ The Material Characteristic Study of InGaN/GaN Multiple Quantum Wells ”,doctoral dissertation.