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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:戴宜宏
研究生(外文):DAI Yi-Hung
論文名稱:退火溫度對氮化鋁鎵孕核層中鋁原子偏析行為之研究
指導教授:開執中陳福榮陳福榮引用關係
指導教授(外文):KAI Ji-JungCHEN Fu-Rong
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:工程與系統科學系
學門:工程學門
學類:核子工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:81
中文關鍵詞:偏析氮化鋁鎵
外文關鍵詞:segregationAlGaN
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本實驗中,將GaN/AlGaN/SiC試片做高溫退火處理,共分為 500℃、700℃與900℃退火,與一組未退火試片。分析顯微結構的部分,利用穿透式電子顯微鏡(TEM)以及X光能量分散譜儀(EDS),瞭解鋁原子在高溫退火之後所發生的變化。並且利用四點探針量測電性,探討在高溫退火之後,試片的電性與鋁原子偏析的關係。
利用有機化學氣相沈積法(MOCVD)成長氮化鋁鎵孕核層,由於孕核層與基板之間晶格的不匹配,導致差排大量的產生。而利用退火處理,將試片加熱至500℃以上的溫度,並且持溫兩個小時,則隨時間的增加,使其能夠輕易的越過活化能障。則差排能夠較容易移動。因為晶格不匹配的緣故,而導致孕核層一開始有較高的差排密度,則正刃差排與負刃差排互相吸引移動而相消、左螺旋差排與右螺旋差排相消,使整體差排密度會相對的減少。因正刃與負刃兩平行差排,在可擴散的高溫,位於同一滑移面上將會互相吸引,最後兩差排將會消失。所以,在量測退火過的試片與未退火試片的差排密度比較,則差排密度的確有明顯的降低。
在高溫退火後,量測氮化鋁鎵孕核層中差排上及其附近鋁原子的分佈。結果發現,退火在較低溫時,鋁原子都偏析聚集在差排上,因為鋁原子會因與差排的應變場作用而被吸引住。而控制溶質原子在吸引力作用下的移動速率是溶質原子在晶格的擴散速率。在將退火溫度升到500℃時,則擴散速率會較快,則鋁原子就會很快的集中在差排,但將退火溫度升到700℃以上時,鋁原子聚集在差排上明顯的降低,而差排旁邊的晶格上鋁原子有明顯的增多。由於界面處與差排中心位置為應變能較高的地方,所以鋁原子會先往此兩處移動以降低應變能。當退火溫度越高時,鋁原子一直往差排中心及界面處移動,但當差排中心的鋁原子飽和時,則過多的鋁原子會繼續往界面移動,所以就會造成在退火溫度越高時,差排中心兩旁的鋁原子濃度有越來越高的趨勢。
在電性的研究方面,從最後的量測結果可以發現,退火之後所量測到的電阻值的確有明顯的下降趨勢。其原因為在試片內部最大的改變為差排密度的減少,晶格減少了扭曲應變,比較不會散射電子,使得電子較能夠輕易的通過晶體,所以量測到的片電阻值因而下降。

目錄
頁次
目 錄……...…….......…………………………………………………Ⅰ
圖目錄………..………………………………………………………..Ⅲ
表目錄…………..……..………...….…………………………………Ⅵ
第一章、簡介……………………………………………..……………1
第二章、文獻回顧………………………………..……………………4
2-1 氮化鎵的發展歷史….……………………………………4
2-2 氮化鋁鎵孕核層………………….………………………6
2-3 氮化鎵材料性質…………………….……………………9
2-4 基板材料介紹…………………...………………………10
2-5 基板材料發展及製程…………...………………………12
2-6差排對元件之影響………..………..……………………14
第三章、實驗方法…..…………….…………………………………21
3-1氮化鋁鎵/氮化鎵之磊晶製程………...…………………21
3-2實驗分析儀器……………………………………………22
3-3 電子顯微鏡試片的製作…….……..……………………23
3-4片電阻量測…………....…………………………………24
3-5 X光能量分散光譜儀…………....……….……………26
3-6 估算差排密度……………..….…………………………28
3-7 研究差排結構……..….…………………………………30
第四章、結果與討論……………….….….…………………………39
4-1觀測孕核層顯微結構及現象……………………………39
4-2 差排形式之電子顯微鏡觀察…………..……….………39
4-3 不同退火溫度試片之差排密度……..……….…………41
4-4 磊晶層厚度之影響…………….………………..………43
4-5 刃差排之鋁原子濃度定量結果……………….…..……44
4-6 刃差排之鋁原子濃度定量討論……….………………..46
4-7 螺旋差排之鋁原子濃度定量結果…….………………..47
4-8 螺旋差排之鋁原子濃度定量討論……………...………48
4-9 觀測鋁富集層界面………………………….…………..48
4-10 各組試片之片電阻量測………………….……………50
4-11刃差排與螺旋差排對鋁原子的結合能……………..…51
第五章、結論…………………………………………………………75
第六章、未來研究方向………………………………………………77
參考文獻………………………………………………………………78
圖目錄
圖2-1 藍寶石基板上各種平面透視圖…………………………..……16
圖2-2 晶格不匹配之示意圖……………………………………..……17
圖2-3 氮化鎵結構立體與投影圖……………………………………..18
圖2-4 GaN兩種結構 : 纖鋅結構與閃鋅結構排列方式…………......19
圖3-1 穿透式電子顯微鏡示意圖………………………….……….…32
圖3-2 (a)將試片與矽晶片黏貼成三明治狀;(b)第一面拋光後黏貼在玻璃上…………………………………………………………..33
圖3-2 (c)刮除銅環以外部分,放置在丙酮中;(d)利用離子減薄機來修薄試片…………….…………………………………………..34
圖3-3 四點探針量測薄膜片電阻的示意圖………..…………………35
圖3-4電子束入射試片樣品時所引發之一連串反應………...………36
圖3-5 雙光束與弱光束示意圖………………………….…………….37
圖4-1 未退火試片之電子顯微鏡暗場像:(a) 、(b) (c) ……..……….………………………...…………..53
圖4-2 500℃退火試片之電子顯微鏡暗場像:(a) 、
(b) (c) …………….....………………….…54
圖4-3 700℃退火試片之電子顯微鏡暗場像:(a)
(b) (c) ………………….………………….55
圖4-4 900℃退火試片之電子顯微鏡暗場像:(a) 、
(b) (c) ………………………….……….…56
圖4-5 四組試片之差排密度曲線圖………………..………………..57
圖4-5-1 未退火試片差排密度趨近圖………………………………...58
圖4-5-1 500℃退火試片差排密度趨近圖……………..……………...58
圖4-5-2 700℃退火試片差排密度趨近圖………………..…………...58
圖4-5-3 700℃退火試片差排密度趨近圖……………..……………...59圖4-5-4 900℃退火試片差排密度趨近圖……………..……………...59
圖4-6 未退火試片-鋁原子在刃差排濃度分佈圖…………………….60
圖4-7 500℃退火試片-鋁原子在刃差排濃度分佈圖…....……...……60
圖4-8 700℃退火試片-鋁原子在刃差排濃度分佈圖….…..…………61
圖4-9 900℃退火試片-鋁原子在刃差排濃度分佈圖…..………….…61
圖4-10 鋁原子濃度在刃差排之二維曲線圖………………………....62
圖4-11 未退火試片-鋁原子在螺旋差排濃度分佈圖…...……………63
圖4-12 500℃退火試片-鋁原子在螺旋差排濃度分佈圖.............….…63
圖4-13 700℃退火試片-鋁原子在螺旋差排濃度分佈圖…….….……64
圖4-14 900℃退火試片-鋁原子在螺旋差排濃度分佈圖……...……...64
圖4-15 鋁原子濃度在螺旋差排之二維曲線圖………………………65
圖4-16 Al0.1Ga0.9N奈米微區繞射圖…………………………………..66
圖4-17 鋁富集層(Al-rich layer) 奈米微區繞射圖…………...………66
圖4-18 (a)利用CaRIne Crystallography 3.1晶格模擬;(b)氮化鎵層、
鋁富集層與碳化矽基板的高解析電子顯微鏡影像圖……….67
圖4-19 未退火試片之高分辨影像圖…………………………………68
圖4-20 500℃退火試片之高分辨影像圖…………...…………………68
圖4-21 700℃退火試片之高分辨影像圖………………………….…..69
圖4-22 900℃退火試片之高分辨影像圖……………………………...69
圖4-23 (a)界面層之高解析電子顯微鏡影像(b)界面處鋁原子分佈圖70
圖4-24 各組試片片電阻柱狀圖………………………………………71
圖4-25 (a)鋁原子對刃差排的結合能趨近圖……………...…………..72
圖4-25 (b)鋁原子對螺旋差排的結合能趨近圖…………...…………..72
表目錄
表2-1 氮化鎵材料與其他基板晶格常數與熱膨脹係數資料……..…20
表3-1薄片電阻計算使用之校正因子(C.F)…………………….……..38
表3-2 True Table……………………………………………………....38
表4-1 藍寶石、氮化鎵與氮化矽晶體常數表…………………………73
表4-2 四組試片差排密度表…………………………………………..73
表4-3 各組試片之片電阻量測………………………………………..74
表4-4 鋁原子對刃差排與螺旋差排的結合能與標準差……………..74

參考文獻
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