跳到主要內容

臺灣博碩士論文加值系統

(44.211.34.178) 您好!臺灣時間:2024/11/02 22:03
字體大小: 字級放大   字級縮小   預設字形  
回查詢結果 :::

詳目顯示

我願授權國圖
: 
twitterline
研究生:陳宏昌
研究生(外文):Hung-Chang Chen
論文名稱:以射頻反應式磁控濺鍍法於藍寶石基板成長鋅摻雜氮化銦材料及其相關特性之研究
論文名稱(外文):Growth and Characteristics of Zn-doped InN Alloys on Sapphire by RF Reactive Magnetron Sputtering
指導教授:陳隆建陳隆建引用關係
指導教授(外文):Lung-Chien Chen
口試委員:林瑞明藍文厚
口試委員(外文):Ray-Ming LinWen-How Lan
口試日期:2005-06-27
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:光電工程系所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2005
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:89
中文關鍵詞:鋅摻雜氮化銦氮化銦射頻反應式磁控濺鍍法光激發光譜鋅摻雜氧化銦氧化銦
外文關鍵詞:Zn-doped Indium nitride(InN:Zn)Indium nitride(InN)RF reactive magnetron sputteringPhotoluminescence(PL)Zinc-doped Indium oxide(In2O3:Zn)Indium oxide(In2O3)
相關次數:
  • 被引用被引用:1
  • 點閱點閱:555
  • 評分評分:
  • 下載下載:0
  • 收藏至我的研究室書目清單書目收藏:0
本論文研究以射頻反應式磁控濺鍍法成長鋅摻雜氮化銦材料於(0001)藍寶石基板上,並對其特性作研究。藉由改變濺鍍參數,如環境壓力、氣體流量、氮氣流量及射頻功率等,來探討濺鍍參數對於鋅摻雜氮化銦薄膜各種性質之影響。實驗結果顯示,在基板溫度500°C、腔體壓力為3 mTorr、氮氣流量為9 sccm 與射頻功率為50W的條件下,可以得到以InN(0002)為主晶面方向,電性質較佳之鋅摻雜氮化銦材料,其霍爾移動率為14.6cm2/V-s,載子濃度為5.6e20/cm3,片電阻率為15.9Ω/□。
其次研究在不同濺鍍功率成長條件下,經過熱處理後鋅摻雜氮化銦與氮化銦性質的變化,結果發現高溫熱處理後並沒有改善n 型氮化銦特性,反而轉變形成p 型鋅摻雜氧化銦薄膜。
最後再將p 型樣品去作光激發光譜(PL)實驗,所得結果與氮化銦能隙比較後,發現有二個放射能帶:3.342eV(371nm)及3.238eV(383 nm)分別定義為自由激子(Free-exciton, FE)或能階對能階(near Band to Band, B-B)之放射及施體能階對價電帶(Donor to Valence-band, D-V)之複合。
This dissertation investigates the growth and characteristics of Zn-doped Indium nitride alloys on (0001) Sapphire substrate by RF reactive magnetron sputtering. By changing the deposition conditions such as chamber pressure, nitrogen flow rate and RF power, we found that at 500°C of substrate temperature, chamber pressure 3m Torr, N2 flow rate 9 sccm and RF power under 50W, we obtained the main orientation of InN (0002) thin film and a better electric conduction quality of zinc-doped Indium Nitride material; Hall mobility of 14.6cm2/V-s, 5.6e20cm-3 carrier concentration, and 15.9 Ω/□ sheet resistance was also obtained. Next, we experiment the different changes of zinc-doped InN and InN characteristics under different RF power. As a result, high thermal treatment didn''t improve the characteristics of n type InN. On the contrary, a p type In2O3:Zn thin film was produced. Finally, we used the p type sample to experiment Photoluminescence. As a conclusion, compared to InN band gap, in the former experiment, we discovered two main emission peaks: 3.342eV (371nm) and 3.238eV (383 nm), respectively defined as free-exciton (FE) or near band-to-band (B-B) radiation, and donor-to-valence-band (D-V) compound.
目錄
中文摘要................................................. i
英文摘要................................................ ii
致謝................................................... iii
目錄.................................................... iv
表目錄.................................................. vi
圖目錄................................................. vii
第一章緒論............................................... 1
1.1 研究動機............................................. 1
1.2 研究方法與論文架構................................... 3
第二章理論基礎與文獻回顧................................. 4
2.1 鋅摻雜氮化銦(Zinc-doped Indium Nitride, InN:Zn)之結構與物理特性....... 4
2.2 氧化銦(Indium Oxide, In2O3) 之結構與物理特性....... 7
2.3 濺鍍法原理.................... 8
2.3.1 電漿原理.................... 8
2.3.2 輝光放電原理.................... 9
2.4 反應式直流與射頻磁控濺鍍原理.................... 10
2.4.1 反應式濺鍍(Reactive Sputtering) .................. 10
2.4.2 直流濺鍍(Direct Current Sputtering) .............. 11
2.4.3 射頻濺鍍(Radio Frequency Sputtering).............. 11
2.4.4 磁控濺鍍(Magnetron Sputtering)............... 12
2.5 薄膜成核理論......... 12
2.5.1 薄膜成長過程......... 13
2.5.2 晶粒成核之成長模式............ 14
第三章實驗方法與設備儀器介紹...................... 16
3.1 實驗材料.................. 16
3.2 射頻反應式磁控濺鍍系統介紹................ 16
3.3 實驗步驟........................ 18
3.3.1 鋅摻雜氮化銦薄膜沉積步驟............. 18
3.3.2 鋅摻雜氮化銦薄膜熱退火處理步驟................... 19
3.4 鋅摻雜氮化銦薄膜特性分析與測量方法................. 19
3.4.1 膜厚量測(Surface Profile)............... 20
3.4.2 雙晶X-ray 繞射量測分析(XRD) ...................... 20
3.4.3 霍爾量測(Hall Effect Measurement) ................ 21
3.4.4 穿透反射光譜量測分析.................... 24
3.4.5 光激發光譜儀(Photoluminescence)................... 25
第四章實驗結果與討論.................... 26
4.1 成長參數對鋅摻雜氮化銦性質的影響.................... 26
4.1.1 不同腔體壓力對鋅雜氮化銦性質的影響................ 26
4.1.1.1 沉積速率量測分析..................... 26
4.1.1.2 結晶性質量測分析.................... 26
4.1.1.3 電性質量測分析.................... 27
4.1.1.4 穿透率與吸收係數量測分析.................... 27
4.1.2 不同氮氣流量對鋅雜氮化銦性質的影響............. 28
4.1.2.1 沉積速率量測分析............ 28
4.1.2.2 結晶性質量測分析.............. 28
4.1.2.3 電性質分析量測分析............. 29
4.1.2.4 穿透率與吸收係數量測分析........... 30
4.1.3 不同射頻功率(RF Power)對鋅摻雜氮化銦性質的影響.... 30
4.1.3.1 沉積速率量測分析................ 30
4.1.3.2 結晶性質量測分析.................... 31
4.1.3.3 電性質分析量測分析.................... 31
4.1.3.4 穿透率與吸收係數量測分析.................... 32
4.2 熱退火處理鋅摻雜氮化銦與氮化銦性質的影響.......... 32
4.2.1 不同熱退火處理時間對鋅摻雜氮化銦性質的影響........ 33
4.2.1.1 熱處理對結晶性質量測分析.................... 33
4.2.1.2 熱處理對穿透率量測分析.................... 34
4.2.2 熱退火處理對不同射頻濺鍍功率成長之鋅摻雜氮化銦性質的影響....... 35
4.2.2.1 熱處理對結晶性質量測分析.................... 35
4.2.2.2 熱處理對電性質量測分析.................... 35
4.2.2.3 熱處理對穿透與吸收係數量測分析.................. 36
4.2.3 熱退火處理對相同條件成長之鋅摻雜氮化銦與氮化銦性質的影響....... 37
4.2.3.1 熱處理對穿透與吸收係數量測分析................ 37
4.2.3.2 熱處理對變溫度之光激發光譜(PL)分析............. 37
4.2.3.3 熱處理對固定溫度之光激發光譜(PL)分析............ 38
第五章結論......................................... 40
第六章未來研究方向................................. 42
參考文獻................................... 87

表目錄
表2.1 氮化銦基本性質整理.......................... 44
表2.2 常見以反應式濺鍍法成長之材料................... 45
表3.1 成長氮化銦與鋅摻雜氮化銦薄膜之材料表............ 55
表3.2 鋅摻雜氮化銦薄膜成長參數條件表................. 55

圖目錄
圖1.1 常見III-V 族半導體材料之晶格常數與能隙關係圖...... 43
圖2.1 氮化銦Wurtzite 結構圖.......................... 46
圖2.2 成長氮化銦的基板或緩衝層之材料晶格常數與能隙關係圖. 46
圖2.3 InN、GaN、AlN 與GaAs 漂移速度-電場關係圖......... 47
圖2.4 氧化銦單位晶胞的晶体結構圖(cubic structure) ...... 48
圖2.5 經由Crystallographica 數據模擬軟體所得XRD 繞射圖.. 48
圖2.6 1/8 個氧化銦單位晶胞,氧原子與銦原子的相對位子局部示意圖............... 49
圖2.7 直流輝光放電結構與電位分佈圖................... 50
圖2.8 陰極暗區電壓分佈圖............................. 50
圖2.9 射頻裝置的陰極電位隨頻率變化的情形................ 51
圖2.10 二極濺鍍.................................. 52
圖2.11 靶材磁場情形........................ 52
圖2.12 平面磁控結構與電子運動路徑..................... 53
圖2.13 薄膜成長之機制........................... 53
圖2.14 影響晶粒成長的晶粒大小及相關的自由能曲線關係..... 54
圖2.15 薄膜成長機制............. 54
圖3.1 UF-1198 型反應式磁控濺鍍機示意圖................. 56
圖3.2 實驗步驟流程圖..................... 57
圖3.3 為膜厚量測之示意圖................ 58
圖3.4 (a)Bragg 條件(b)雙晶XRD 裝置示意圖............... 58
圖3.5 霍爾效應示意圖.................. 59
圖3.6 各種Hall bar 量測法的幾何圖形。........... 59
圖3.7 各種Van Der Pauw 量測法的幾何圖形。........ 60
圖3.8 未加入磁場下測量電阻值之接法...................... 60
圖3.9 為Rr 與F 的關係圖[13].......................... 61
圖3.10 在外加磁場下,測量霍爾電壓之接法............... 61
圖3.11 穿透反射光譜儀之量測原理示意圖................ 62
圖3.12 光激發光譜儀量測系統示意圖.................... 62
圖4.1 腔體壓力對InN:Zn 薄膜沉積速率之影響.............. 63
圖4.2 不同腔體壓力對InN:Zn 薄膜X-ray 繞射圖之影響...... 64
圖4.3 不同腔體壓力成長InN:Zn 薄膜的霍爾移動率與載子濃度比較....... 65
圖4.4 不同腔體壓力對InN:Zn 薄膜電阻率之影響............ 66
圖4.5 (a)不同腔體壓力對InN:Zn 薄膜穿透光譜圖之影響..... 67
(b)不同腔體壓力對穿透光譜轉換吸收邊緣比較.............. 67
圖4.6 氮氣比率對InN:Zn 薄膜沉積速率之影響.............. 68
圖4.7 不同氮氣比率對InN:Zn 薄膜X-ray 繞射圖之影響...... 69
圖4.8 不同氮氣比率成長InN:Zn 薄膜的霍爾移動率與載子濃度比較..... 70
圖4.9 不同氮氣比率對InN:Zn 薄膜電阻率之影響............ 71
圖4.10 (a)不同氮氣比率對InN:Zn 薄膜穿透光譜圖之影響.... 72
(b)不同氮氣比率對穿透光譜轉換吸收邊緣比較.............. 72
圖4.11 濺鍍功率對InN:Zn 薄膜沉積速率之影響............. 73
圖4.12 不同濺鍍功率對InN:Zn 薄膜X-ray 繞射圖之影響..... 74
圖4.13 不同濺鍍功率成長InN:Zn 薄膜的霍爾移動率與載子濃度比較.... 75
圖4.14 不同濺鍍功率對InN:Zn 薄膜電阻率之影響........... 76
圖4.15 不同濺鍍功率對InN:Zn 薄膜穿透光譜圖之影響....... 77
圖4.16 不同退火時間對InN:Zn 薄膜X-ray 繞射圖之影響..... 78
圖4.17 不同退火時間對InN:Zn 薄膜穿透光譜圖之影響....... 78
圖4.18 退火後,不同濺鍍功率對InN:Zn 薄膜X-ray 繞射圖之影響........ 79
圖4.19 退火前後對不同濺鍍功率成長InN:Zn 薄膜的載子濃度比較........ 80
圖4.20 退火前後對不同濺鍍功率成長InN:Zn 薄膜的霍爾移動率比較........ 81
圖4.21 (a)退火後,不同濺鍍功率對InN:Zn 薄膜穿透光譜圖之影響........ 82
(b)退火前後,對穿透光譜轉換吸收邊緣比較................ 82
圖4.21 退火前後,InN:Zn 薄膜與InN 薄膜對穿透光譜轉換吸收邊緣比較.......... 83
圖4.22 退火後,In2O3:Zn 薄膜對變溫度量測光激發光譜(PL)比較........ 84
圖4.23 退火後,In2O3:Zn 薄膜與In2O3 薄膜對20K 溫度下量測光激發光譜(PL)比較....... 85
圖4.24 對In2O3:Zn 薄膜與In2O3 薄膜量測光激發光譜(PL)能階關係圖................. 86
[1] Ashraful Ghani Bhuiyan, Akihiro Hashimoto, and Akio Yamamoto, J. Appl. Phys.,82, 2779 (2003)
[2] O. Ambacher, et. al., J. Vac. Sci. Technol. B14(6) 3532 (1996)
[3] Q. Guo, O. Kato, and A. Yoshida, J. Appl. Phys. 73(11), 7969 (1993)
[4] V. W. L. Chin, T. L. Tansley, and T. Osotchan, J. Appl. Phys. 75, 7365 (1994)
[5] F. Bechstedt, J. Furthmüller, J. Crystal Growth, 246, 315 (2002)
[6] J. Wu, W. Walukiewicz, K.M. Yu, J.E. Ager III, E.E. Haller, H. Lu, W.J. Schaff, Y.
Saito, Y. Nanishi, Appl. Phys. Lett., 80, 3967 (2002).
[7] T. Matsuoka, H. Okamoto, N. Nakao, H. Harima, E. Kurimoto, Appl. Phys. Lett.,81,1246 (2002).
[8] V.Y. Davydov, A.A. Klochikhin, R.P. Seishan, V.V. Emtsev, S.V. Ivanov, F.
Bechstedt, J. Furthmuller, H. Harima, A.V. Mudryi, Phys. Stat. Sol.B,229,R1 (2002)
[9] A. Yamamoto, M. Tsujino, M. Ohkubo, A. Hashimoto, J. Crystal Growth, 137, 415 (1994)
[10] A. Yamamoto, M. Tsujino, M. Ohkubo, A. Hashimoto, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 35, 53(1994)
[11] T. L. Tansley and C. P. Foley, J. Appl. Phys. 59, 3241 (1986)
[12] Q. Guo, N. Shingai, M. Nishio, and H. Ogawa, J. Crystal Growth, 189/190, 466, (1998)
[13] Motlan, E. M. Goldys, T. L. Tansley, J. Crystal Growth, 241, 165 (2002)
[14] Q. Guo, N. Shingai, Y. Mitsushi, M. Nishio, and H. Ogawa, Thin solid Films,343/344, 524 (1999)
[15] N. Saito, Y. Igasaki, Appl. Surface Sci., 169/170, 349 (2001)
[16] Tokuo Yodoa, Yasunobu Kitayamaa, Kazunari Miyakia, Hiroaki Yonaa,Yoshiyuki Haradab, Kathryn E. Princec, K. Scottd, A. Butcher, J. Crystal Growth, 269,145-154 (2004)
[17] M. Nicolet, J. Geophys. Res., 64, 2092 (1959)
[18] P.F. Knewstubb, A.W. Tickner, J. Chem. Phys., 37, 2941 (1962)
[19] V. V. Mamutin, V. A. Vekshin, V. Y. Davydov, V. V. Ratnikov, Y. A.Kudriavtsev,B. Y. Ber, V. V. Emtsev, and S. V. Ivanov, Phys. Status Solidi A, 176,373 (1999).
[20] H. Lu,W. J. Schaff, J. Hwang, and L. F. Eastman, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 680E, E3.2 (2001).
[21] Michael E. Levinshtein, Sergey L. Rumyantsev, Michael S. Shur, “Properties of advanced semiconductor materials GaN, AlN, InN, BN, SiC, SiGe”,. 49-66, (2001)
[22] Benedicte Maleyre, Olivier Briot, Sandra Ruffenach, J. of Crystal Growth, 269, 15-21 (2004)
[23] Masahito Kurouchi, Hiroyuki Naoi, Tsutomu Araki, Tayajima and Yasushi Nanishi,Japan J. Appl. Phys. 44, L230-L232 (2005)
[24]A. Yamamoto, M. Tsujino, M. Ohkubo, and A. Hashimoto, J. of Crystal Growth,137, 415 (1994)
[25]Q. Guo, K. Murata, M. Nishio, H. Ogawa, Appl. Surface Sci. 169/170, 340 (1999)
[26]Q. Guo, A. Okada, H. Kidera, T. Tanaka, M. Nishio, H. Ogawa, J. Crystal
Growth,237/239, 1032 (2002)
[27]H. Lu et al., 44th Electronic Material Conference, J. Elec.Mater., (2002)
[28]S. N. Mohammad and H. Morkoc, Prog. Quantum Electron 20, 361 (1996)
[29]Lung-Chien Chen and Hung-Chang Chen,O.P.T., PA-SA1-60 (2004)
[30]Lung-Chien Chen and Hung-Chang Chen, Japan J. Appl. Phys. 44, 2995 (2005)
[31]T. Yodo, H. Yona, D. Nosei, and Y. Harada, Appl. Phys. Lett. 80, 968 (2002)
[32]Gabriela .B. Gonzalez, Jerome B. Cohen, Jin-Ha Hwang, Thomas O. Mason,Journal of Applied Physics 89, 2550-2555, (2001)
[33]C.H. Lee, C. S. Huang, Materals Science and Engineering B22, 233-240, (1994)
[34]Z.B. Zhou, R.Q. Cui, Q.J. Pang, Y.D. Wang, F.Y. Meng, T.T. Sun, Z.M. Ding,X.B.Yu, Applied Surface science 172, 254-252, (2001).
[35]T.Minami, T. Kakumu, Y. Takeda, S. Takada, Thin Solid films 290/291, 1-5, (1996)
[36]T. Ratcheva, M. Namova, Thin Solid films 202, 243, (1991)
[37]E. Benamar, M. Rami, C. Messaoudi, D. Sayah, A. Ennaoui, Solar Energy Materials and Solar Cells 56, 125-139 (1999)
[38]H. bisht, H.T. Eun, a. Mehrtens, M.A. Aegerter, Thin Solid films 351, 109-114,(1999)
[39]Hiroshi HARA, Takashi SHIRO and Toshiaki YATABE, Japanese J. Applied Physics ,43 ,2, 745–749, (2004)
[40] Brian Chapman, Glow Discharge Processes, WILE INTER-SCIENCE, Canada (1980)
[41]翁睿哲,以射頻磁控濺鍍氮化鉭薄膜製程條件對顯微結構及電性影響研究,國立成功大學材料科學與工程學系,碩士論文。(2001)
[42]D. L. Smith, THIN-FILM DEPOSITION, McGraw-Hill, North American., (1995)
[43]K. Wasa and S. Hayakawa, Handbook of Sputter Deposition Technology, Noyes pub, (1992)
[44]劉博文,ULSI 製程技術,初版,文京出版社發行,2001。
[45]莊達人,VLSI 製程技術,二版,高立圖書有限公司發行,2002。
[46]盧軒儀,基材種類及化學成份對使用非反應性濺鍍法常溫成長氮化鋁薄膜之影
響,國立中山大學材料科學研究所,碩士論文,(2002)
[47]M. Ohring, , The Materials Science of Thin Films, Academic Press, London.,(1992)
[48]汪建民,材料分析,中國材料科學學會,(1998)
[49]Dieter K. Schroder, Semiconductor Material and Device Characterization, 2nded.,JohnWiley and Sons, Inc. (1998)
[50] Donald A. Neamen, Semiconductor Physics and Devices, 3rd ed.McGraw-Hill,Inc. (2003)
[51] L. J. Van der Pauw, Philips Technical Review, 20, 220-224 (1958)
[52] Qixin Guo, Nobuhiro Shingai, Mitsuhiro Nishio and Hiroshi Ogawa, J Crystal Groeth, 189, 466, (1998)
[53] 周道煒, 以射頻反應式磁控濺鍍法於藍寶石基板成長氮化銦薄膜及其相關性質之研究, 碩士論文,(2004)
[54] M. Yoshimoto, H. Yamamoto, W. Huang, H. Harima, J. Saraie, A. Chayahara, Y.Horino, Appl. Phys. Lett. 83, 3480, (2003)
[55] T. Yodo, Y. Kitayama, K. Miyaki, H. Yona, Y. Harada, K. E. Prince, K. Scott, A.Butcher, J. Cryst. Growth 269, 145, (2004)
[56] J. Wu, W. Walukiewicz, S. X. Li, R. Armitage, J. C. Ho, E. R. Weber, E. E. Haller,H. Lu, W. J. Schaff, A. Barcz, R. Jakiela, Appl. Phys. Lett., 84, 2805, (2004)
[57] D. Mergel, Z. Qiao, J. Phys. D 35, 794, (2002)
電子全文 電子全文(本篇電子全文限研究生所屬學校校內系統及IP範圍內開放)
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
第一頁 上一頁 下一頁 最後一頁 top