臺灣博碩士論文加值系統

摘要

本文利用光激螢光光譜與拉曼光譜來分析氮化銦磊晶層的基本光學性質。我們發現氮化銦磊晶層經由快速熱退火處理後，其光學與電性品質皆獲得改善。我們認為在熱退火過程中，由於銦的空缺增加導致補償效應，因而使載子濃度下降。由變溫光激螢光光譜中，發現隨溫度增加而能量峰值有下降、上升、下降等現象，此S型行為是因為載子受到溫度的活化，脫離了原先的侷域態而躍遷至高能量能態。根據變溫的載子輻射生命期，我們發現經熱退火200 oC、300 oC處理的氮化銦由低溫時的侷限態載子受熱跳脫為三維空間自由載子；經熱退火400 oC、500 oC處理的氮化銦則由低溫時的侷限態載子受熱跳脫為二維空間自由載子。我們認為這是由於樣品表面電子聚集所導致。根據室溫拉曼光譜，發現隨熱退火處理的溫度越高，A1(LO)模態越不對稱且有紅位移，這是由於銦的空缺變多，且壓應力獲得釋放所導致。

Abstract

We investigated the optical properties of InN epilayers using photoluminescence (PL), time-resolved PL (TRPL) and Raman scattering. We suggest that the formation of compensating acceptors (indium vacancies) after rapid thermal annealing (RTA) is responsible for the improvement of the optical and electrical qualities in InN epilayers. Based on the temperature dependence of PL spectra, we observed an “S-shaped” behavior of the PL-peak energy as the temperature is increased. We suggest that the localized carriers can be delocalized by thermal activation. Based on the temperature dependence of radiative lifetimes in InN, we suggest that the localized carriers can be delocalized at elevated temperature and become nearly three-dimensional for the InN annealed with the temperatures of 200 and 300 oC. Due to surface electron accumulation, the localized carriers become nearly two-dimensional (2D) for the InN annealed with the temperatures of 400 and 500 oC. The shift of the A1(LO) phonon mode in Raman spectrum is found to be related to the compressive strain within the InN/GaN interface. The asymmetric ratio of the A1(LO) phonon mode increases with increasing the annealing temperature due to the formation of indium vacancies after RTA.

目錄

摘要--------------------------------------------------------------------------------Ⅰ
Abstract--------------------------------------------------------------------------- II
致謝------------------------------------------------------------------------------- III
目錄 ------------IV
圖目錄 -Ⅵ

第一章 緒論-----------------------------------------------------------------------1
第二章 樣品介紹-----------------------------------------------------------------4
第三章 量測系統與實驗原理--------------------------------------------------5
3.1 光激螢光量測系統與原理 (Photoluminescence: PL) --5
3.2 時間鑑別光激螢光量測系統與原理
(Time-Resolved Photoluminescence：TRPL)------------8
3.3 紅外線快速熱退火系統--------------------------------------13
3.4 拉曼散射實驗--------------------------------------------------14
第四章 結果與討論 ----------18
4.1 經熱退火處理的氮化銦光學與電子特性-----------------18
4.1.1 經熱退火處理的氮化銦結構分析------------------18
4.1.2 簡併半導體氮化銦-----------------------------------23
4.1.3 經熱退火處理氮化銦之光激螢光-----------------24
4.2 溫度變化之螢光機制------------------------------------------28
4.2.1 溫度變化光激螢光光譜-----------------------------28
4.2.2溫度變化時間鑑別光激螢光光譜------------------33
4.3 拉曼光譜分析---------------------------------------------------38
第五章 結論---------------------------------------------------------------------47
參考文獻--------------------------------------------------------------------------49


圖目錄

圖1.1 III-V 族氮化物的能隙-----------------------------------------------3
圖2.1 氮化銦磊晶層之結構圖----------------------------------------------4
圖3.1 能帶邊緣光激螢光過程----------------------------------------------6
圖3.2 光激螢光量測系統裝置圖（PL）---------------------------------7
圖 3.3 TCSPC示意圖--------------------------------------------------------9
圖 3.4 TCSPC架設圖----------------------------------------------------10
圖 3.5 Time Harp 200結構圖---------------------------------------------11
圖 3.6 時間鑑別光激螢光(TRPL)光譜量測系統裝置圖--------------12
圖 3.7 紅外線快速熱退火系統-------------------------------------------13
圖 3.8 雷利散射與拉曼散射之圖示--------------------------------------15
圖 3.9 Rayleigh、anti-Stokes和Stokes Raman spectra of Si---------16
圖 3.10 拉曼散射的能階圖-------------------------------------------------17
圖 4.1.1 經不同熱退火溫度處理的氮化銦光激螢光光譜-------------18
圖4.1.2 經不同熱退火溫度處理的氮化銦光激螢光峰值強度趨勢圖
---------------------------------------------------------------------19
圖4.1.3 經不同熱退火溫度處理的氮化銦之載子濃度與電子漂移率
--------------------------------------------------------------------------20
圖4.1.4 氮化銦之掃描式顯微鏡影像圖(a)未經熱退火處理 (b)經熱
退火500 oC處理---------------------------------------------------22
圖4.1.5 本質與簡併半導體之能隙說明圖-------------------------------23
圖4.1.6 低溫下氮化銦之光激螢光光譜，紅線為公式擬合的值----24
圖4.1.7 Eg(n)與載子濃度之關係圖，紅線為公式(4.4)擬合的值--25
圖4.1.8 氮化銦光激螢光峰值位置與載子濃度之關係圖-------------27
圖4.2.1 經熱退火300 oC處理的氮化銦溫度變化光激螢光光譜----28
圖4.2.2 經熱退火300 oC處理氮化銦能量峰值與溫度關係圖-------29
圖4.2.3經不同熱退火溫度處理的氮化銦之能量峰值與溫度關係圖----------------------------------------------------------------------- 31
圖4.2.4 不同熱退火溫度處理的氮化銦侷限深度關係----------------33
圖 4.2.5 熱退火400 oC處理的氮化銦不同溫度能量峰值時間鑑別光激螢光光譜-----------------------------------------------------------34
圖 4.2.6 不同熱退火溫度處理的氮化銦載子輻射生命期隨溫度變化關係圖-----------------------------------------------------------------35
圖 4.2.7 不同熱退火溫度的氮化銦載子濃度與載子輻射生命期關係圖-----------------------------------------------------------------------37
圖 4.3.1未經熱退火處理氮化銦在300 K的拉曼光譜-----------------38
圖4.3.2 烏采(wurtzit)結構示意圖------------------------------------------39
圖4.3.3 氮化銦原子震動模式----------------------------------------------41
圖4.3.4 經不同熱退火溫度氮化銦之A1(LO)拉曼光譜---------------42
圖4.3.5 經不同熱退火溫度處理的氮化銦相關長度L與對稱性關係
圖---------------------------------------------------------------------45
圖4.3.6 經不同熱退火溫度處理的氮化銦E2(high)模態拉曼光譜--46

參考文獻
[1] H.J.Hovel, J.J.Cuomo, Appl. Phys. Lett. 20 (1972) 71
[2] T.L. Tansley, C.P.Foley, J. Appl. Phys. 59 (1986) 3241
[3] Ashraful Ghani Bhuiyan, Akihiro Hashimoto, and Akio Yamamoto, J.
Appl. Phys. 94 (2003) 2779
[4] Bhuiyan A G, Hashimoto A, and Yamamoto A, J. Appl. Phys. 94
(2003)2779
[5] Butcher K S A and Tansley T L, Superlatt. Microstruc. 38 (2005) 1
[6] Monemar B, Paskov P P, and Kasic A, Superlatt. Microstruc. 38
(2005)38
[7] Pelli A, Saarinen K, Tuomisto F, Ruffenach S, and Briot O, Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 011911
[8] G.Kac, A.Kas, S.Reich, A.Hof,and C.Tho, Appl. Phys. Lett. 76 (2000)
2122
[9] V. Yu. Davydov, A. A. Klochikhin, V. V. Emtsev, D. A.Kurdyukov, S.
V. Ivanov, V. A. Vekshin, F. Bechstedt, J. Furthmuller, F. Aderhold, J. Graul, A. V. Mudryi, H. Harima, A. Hashimoto, A. Yamamoto, and E. E. Haller, Phys. Stat. Sol. (b) 234 (2002) 787
[10] Masataka Higashiwaki, Toshiaki Matsui, Journal of Crystal Growth 269 (2004) 162
[11]Klochikhin A A, Davudov V Yu, Emtsev V V,Sakharov A V, Kapitonov V A, Andreev B A, Lu H and Schaff W J, Phys. Rev. B. 71 (2005) 195207
[12] M. Bugajski and W. Lewandowski, J. Appl. Phys. 57 (1985) 521
[13] G.W.Shu, P.F.Wu, Y.W.Liu, Y.W.Liu, J.S.Wang,and J.L.Shen, Phys.: Condens. Matter. 18 (2006) L543
[14] Jiang De-Sheng, Y.Makita, K.Ploog.and H.J.Queisser, J. Appl. Phys. 53 (1982) 999
[15] G.W.Shu, P.F.Wu, M.H.Lo,and J.L. Shen, Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 131913
[16] E.Kuokstis, W.H.Sun. M.Shatalov, J.W.Yang,and M.Asif Khan, Appl. Phys. Lett. 88 (2006) 261905
[17]A.Bell,S.Srinivasan,C.Plumlee,H.Omiya, and F.A.Ponce, J. Appl. Phys. 95 (2004) 4670
[18] A.Yasan, R.Mcclintock, K.Mayes, D.H.Kim, P.Kung,and M.Razeghi, Appl. Phys. Lett. 83 (2003) 4083
[19] Y.H.Cho, G.H.Gainer, J.B.Lam, and J.J.Song, Phys. Rev. B.61 (2000) 7203
[20] T.Wang, H.Saeki, J.Bai, T.Shirahama, M.Lachab, and S.Sakai, Appl. Phys. Lett. 76 (2000)1737
[21] S.W.Feng, Y.C.Cheng, Y.Y.Chung, and C.C.Yang, J. Appl. Phys.92 (2002) 4441
[22]Y.Kawakami, Y.Narukawa, K.Omae, S.Fuhita, and S.Nakamura, Phys. Stat. Sol.(a) 178 (2000) 331
[23]Y.Nar, S.Sai, Y.Kawa, and Shigeo Fujita, Appl.Phys.Lett. 74(1999)558
[24] L.F.J.Piper, T.D.Veal, and C.F.McConville, Appl.Phys.Lett. 88 (2006) 252109-1
[25] A.Dmi, and A.Oruzheinikov, J.Appl.Phys. 86 (1999) 3241
[26] X.Wang, Song-Bek Che, Y.Ish, and A.Yosh, Appl.Phys.Let. 89 (2006) 171907-1
[27] X.Wang, Song-Bek Che, Y.Ish, and A.Yosh, J.Appl.Phys, 99 (2006) 073512-1
[28] I.H.Cam, and P.M.Fau, Sol.Stat.Commu. 58 (1986) 739
[29] D.Kir, H.Lee, and J.S.Har,Jr, J.Appl.Phys. 80 (1996) 4058
[30] J.W.Chen and Y.F.Chen, Appl.Phys.Lett. 87 (2005) 014907