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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:沈慶興
研究生(外文):Ching-Shing Shen
論文名稱:方向性矽碳氮晶體之成長與研究
論文名稱(外文):Growth and Properties of Oriented Silicon Carbon Nitride Crystals
指導教授:陳永芳陳永芳引用關係陳貴賢陳貴賢引用關係林麗瓊林麗瓊引用關係
指導教授(外文):Yong-Fan ChenKuei-Hsien ChenLi-Chyong Lin
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:物理學研究所
學門:自然科學學門
學類:物理學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2000
畢業學年度:88
語文別:英文
論文頁數:66
中文關鍵詞:矽碳氮立方晶氮化硼磊晶薄膜微波電漿化學氣相沉積法直接能隙方向性蝕刻凹槽
外文關鍵詞:SiCNcubic BNepitaxial filmschemical vaporation depositiondirect bandgapcoorientationetch pits
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摘要
三元的矽碳氮化合物已經被認定為一種新的結晶,不同於Si3N4-SiC或Si3N4-C的混合相,矽碳氮化合物晶體顯示出足以媲美立方晶氮化硼的硬度,並擁有3.8電子伏特的直接能隙,且可能具有高功率、傳導高速的電子特性,在藍光或紫外光元件的應用上具有很大的潛力。為了探究和實現這個想法,我們要求能成長出高品質磊晶薄膜。而從我們之前的報告中,藉由微波電漿化學氣相沉積法,在矽基板的平面上以可成長高密度、多晶相的矽碳氮晶體。在此,我們報告一種新的方法來成長高織紋狀、高方向性的矽碳氮薄膜。
光亮的矽基板(100)上預先以電子束蒸鍍鈷薄膜,經過一些表面處理的程序,反應氣體分別為氫氣、氮氣、甲烷、矽烷,在適當的條件之下,矽基板上方所鍍的過渡金屬層會完全消失,取而代之的是整個矽基板上會佈滿高織紋狀、高方向性的蝕刻凹槽,而歷經四到十個小時的沉積,在凹槽上會沉積出有方向性的晶體整個矽基板會完全被成長的矽碳氮薄膜晶體所覆蓋。
本實驗目的是以不同厚度的鐵、鈷或鎳金屬薄膜鍍於拋光矽基板(100)或(111)表面做為矽碳氮晶體的成長基板,藉以研究其對於矽碳氮晶體成長的影響。我們發現其中以300 A厚度的鈷金屬薄膜成長矽碳氮晶體時,該晶粒在矽(100)晶面上整齊排列,而以鈷薄膜厚度30 A與100 A之基板在相同的製程條件下卻是呈現高密度且無特定方向性的矽碳氮晶體成長。本實驗分別討論以不同的製程條件對於矽碳氮晶粒成長的影響,並推測其可能的成長機制。此外,形貌結構分析方面則以掃描式電子顯微鏡(SEM)、高解析穿透式電子顯微鏡(TEM)及X-ray薄膜繞射方法為主,分別討論其晶粒形貌與晶粒成長的方向性,並初步得出方向性矽碳晶體格子常數(lattice parameter);晶體的化學組成和鍵結則以EDX和XPS方法分析之。其光學特性則採取PzR和PL的量測方式。

Abstract
The ternary SiCN compound has just been identified to be a new crystals, distinct from those of crystaIlized Si3N4-SiC or Si3N4-C mixtures.Crystalline SiCN exhibits a hardness rivals to cubic-BN and a direct band gap at 3.8 eV, therefore, a great potential for blue and ultraviolet photo-electronic devices such as light emitting diode and laser diode, as well as high power and high speed electronics. To explore and realize these exciting opportunities, high quality epitaxial film is required. ln our previous report, polycrystalline SiCN film has been grown successfully by microwave plasma enhanced chemical vapor deposition on plain Si substrate. Herein, we report a novel process for highly textured and oriented SiCN films.
Pre-coating the Si substrate with a thin buffer layer of transition metals such as Fe, Co, and Ni, foIlowed by a hydrogen plasma treatment, the process was found to be an effective way of growing highly oriented SiCN film. The thickness of this buffer layer was critical. If the buffer layer was too thin ( <10 nm), no orientation alignment was observed. On the other hand, thick buffer layer( 100nm)would induce formation of carbon phases such as diamond and graphite balls. Under the optimized condition, the transition metal assisted hydrogen plasma treatment of the Si substrate produced very shallow but well oriented etch pits, distributed uniformly over the entire substrate. Subsequent nucleation of SiCN crystals was found to occur preferentially from these etched pits. High-resolution transmission electron microscopy investigation indicated a quasi lattice match between the SiCN crystal and the Si substrate. Variations of morphology and structures of SiCN films with the orientation and pretreatment of the substrate will be discussed. Finally, optical measurements using photoluminescence
and piezoreflectance will also be presented﹒
Prime Novelty : We have demonstrated highly textured and oriented growth of SiCN films with potential optoelectronic properties similar to that of GaN.

誌謝-----------------------------------------------------------1
目錄-----------------------------------------------------------2
圖目錄---------------------------------------------------------6
表格目錄-------------------------------------------------------8
中文摘要-------------------------------------------------------9
英文摘要------------------------------------------------------------11
第一章、緒論--------------------------------------------------13
1.1、動機--------------------- -------------------------13
1.2、矽碳氮晶體-------------------------------------------15
1.3、磊晶成長的介紹-------------------------------------16
1.3.a、鑽石----------------------------------------16
1.3.b、SiC和GaN------------------------------------16
1.4、藍光半導體元件------------------------------------16
第二章、實驗與分析儀器簡介------------------------------------18
2.1、微波電漿化學氣相沉積系統(MW-PECVD)-----------------18
2.2、掃瞄式電子顯微鏡 ( SEM )---------------------------20
2.3、能量分散式光譜儀 ( EDS )---------------------------21
2.4、X光繞射儀 ( XRD )----------------------------------21
2.5、X光光電子能譜儀 ( XPS ) ---------------------------22
2.6、穿透式電子顯微鏡 ( TEM )---------------------------23
2.7、光激發螢光光譜儀 ( PL )----------------------------23
2.8、壓電調制反射技術 ( PzR )---------------------------24
第三章、實驗與討論--------------------------------------------26
第一節、 成長介紹---------------------------------------------26
3.1.1、基板的預先處理-----------------------------------26
3.1.2、氫氣電漿離子處理試片表面-------------------------26
3.1.3、沉積過程-----------------------------------------28
第二節、SEM的成長觀察-----------------------------------------29
3.2.1、改變成長時間-------------------------------------30
3.2.2、不同基板的影響-----------------------------------33
3.2.2a、Co coating 150A / Si(111)------------------33
3.2.2b、Ni coating 300A / Si(100) -----------------33
3.2.2c、Fe 30A / Si(100) 、Fe 30A / Si(111)--------34
3.2.2d、Si(100)、Si(110)、Si(111)-------------------34
3.2.2e、催化劑效應的探討----------------------------38
3.2.3、變換不同基板來成長矽碳氮晶體的結論---------------40
3.2.4、改變其他成長條件---------------------------------42
第三節、TEM結構分析-----------------------------------------44
3.3.1、蝕刻溝槽-----------------------------------------44
3.3.2、單晶的矽碳氮晶體---------------------------------47
3.3.3、矽碳氮晶體結構-----------------------------------49
第四節、特性分析---------------------------------------------55
3.4.1、XPS鍵結分析--------------------------------------55
3.4.2、X-ray分析----------------------------------------57
3.4.2a、-Si3N4與矽碳氮晶體X-ray圖譜的比較---------57
3.4.2b、以X-ray繞射結果來驗證TEM的分析--------------57
3.4.3、光學特性的量測-----------------------------------61
第四章、總結--------------------------------------------------62
參 考 資 料---------------------------------------------------64

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[2]. X. A. Zhao et al., Appl. Phys. Letters, 66(1995).
[3]. F. Xiong, R. P. H Chang and C.W.White, J. Mater. Res., 285(1993).
[4]. Chunming Niu, Yuan Z. Lu, Charles M. Lieber, Science, 261(1993).
[5]. C. M. Lieber, Z. J. Zhang, Advance Materials, 6(1994).
[6]. M. Y. Chen et al., J. Vac. Sci. Technol., 3(1993).
[7]. N.Axen et al., Diamond and Related Mater., 5(1996).
[8]. S. Kumar et al., Thin Solid Films, 256(1995).
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[12]. F. Rossi et al., J. Mater. Res., 9(1994).
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