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研究生:陳亭媖
研究生(外文):Ting Ying Chen
論文名稱:在硼離子佈植之矽基板上成長高品質氮化鎵薄膜
論文名稱(外文):Investigation of High Quality GaN Film Grown on Boron-implanted Silicon Substrate
指導教授:陳乃權
指導教授(外文):N. C. Chen
學位類別:碩士
校院名稱:長庚大學
系所名稱:光電工程研究所
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:2009
畢業學年度:97
論文頁數:92
中文關鍵詞:離子佈植退火氮化鎵差排
外文關鍵詞:ion-implantationannealboronGaNdislocation
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本論文主要是探討將矽基板進行硼離子佈植,利用不同的溫度退火處理,於經過不同退火的矽基板以及未經離子佈植的矽基板上成長氮化鎵薄膜,經由量測觀察成長於其上的氮化鎵薄膜結晶品質與晶格不匹配改善的程度。
透過應力控制之矽基板之最終目的是在其上成長氮化物相關元件,可以利用發光二極體作為首要開發之元件,透過發光二極體的各種特性量測來取得成長結構的優劣判斷。
在本論文中,使用SEM及AFM求取表面型態,使用XRD與 PL及TEM得知其結晶品質,在研究結果中發現,隨退火溫度的升高會降低差排的密度,而氮化鎵薄膜也有較佳的結晶品質。
This thesis investigated the improvement of lattice mismatch and crystal quality of the GaN film which dependant on results of experiment measurement. The boron-implanted Si substrates were treated with various annealing temperatures before growing GaN film grown on it. Meanwhile, the reference sample which without implantation was compared with implanted samples.
The essential purpose of this research is utilizing strain control to grow nitride device on the Si substrates. This conception can be applied to integrate nitride and silicon devices on the same chip. Therefore, implanted Si substrates were formed P-N junction which simulated as the basis Si devices. Consequently, using c-axis lattice constant, photoluminescence (PL), X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), atomic force microscope (AFM) and scanning electron Microscope (SEM) etc. experimental results determined qualities of GaN grown on Si substrates. The experimental results indicated that the dislocation density reduced with annealing temperature increased. And the crystal quality of GaN film was improved, too.
目錄
指導教授推薦書
口試委員審定書
授權書 iii
誌謝 iv
中文摘要 v
Abstract vi
目錄 vii
圖目錄 x
表目錄 xiii
第一章 導論 - 1 -
1.1 背景 - 1 -
1.2 研究動機與目的 - 7 -
第二章 理論基礎 - 9 -
2.1 氮化物材料性質 - 9 -
2.1.1 氮化鎵材料特性 - 9 -
2.1.2 氮化鋁結構與性質 - 10 -
2.2 差排的形成機制和對元件特性的影響 - 11 -
2.2.1 異質結構中的應變 - 12 -
2.2.2 貫穿式差排的形成 - 15 -
2.2.3 差排對元件的影響 - 18 -
第三章 實驗程序 - 20 -
3.1 實驗流程 - 20 -
3.2 有機化學氣相沈積法成長氮化鎵 - 22 -
3.3 離子佈植簡述 - 25 -
3.3.1 離子佈植基本理論 - 25 -
3.3.2 脫序 - 26 -
3.3.3 退火 - 27 -
3.4 掃瞄式電子顯微鏡(SEM) - 27 -
3.5 穿透式電子顯微鏡(TEM) - 31 -
3.5.1 橫截面式(Cross-Section) - 31 -
3.5.2 平視野式(Plan-View) - 37 -
3.5.3 成像原理 - 40 -
3.6 原子力顯微鏡(AFM) - 41 -
3.7 雙晶X射線繞射儀(DCXRD) - 46 -
3.7.1 X射線基本理論 - 47 -
3.8 光激螢光(Photoluminescence,PL) - 50 -
第四章 實驗結果分析與討論 - 55 -
4.1 離子佈植對矽基板表面造成的影響 - 55 -
4.2 雙晶X射線繞射分析 - 58 -
4.2.1 殘留應力分析 - 58 -
4.2.2 半高寬分析 - 59 -
4.2.3 差排行為分析 - 62 -
4.3 穿透式電子顯微鏡分析 - 68 -
4.3.1 差排密度分析 - 68 -
4.3.2 穿透式電子顯微鏡繞射圖像分析 - 71 -
第五章 結論 - 75 -
參考文獻 - 76 -


圖目錄
圖 1.1.1Ⅲ-Ⅴ族半導體能隙和晶格常數關係圖 - 1 -
圖 1.1.2 (a) 烏采結構的氮化鎵(b)立方晶系矽 - 4 -
圖 1.1.3回融腐蝕(Meltback Etching) - 5 -
圖 1.1.4Shimei Semiconductor開發高亮度氮化鎵發光二極體 - 6 -
圖 2.1.1Wurtzite GaN原子排列示意圖(a) (b) (c) - 10 -
圖 2.1.2氮化鋁的結晶構造:(a)變形四面體結構,(b)單位晶胞[10] - 11 -
圖 2.1.3氮化鋁的Wurtzite結構[10] - 11 -
圖 2.2.1晶格不匹配之異質結構的橫截面示意圖 - 13 -
圖 2.2.2應變的產生 - 14 -
圖 2.2.3晶體內之疊差示意圖(a)本質疊差(b)外質疊差 - 16 -
圖 2.2.4(a)刃狀差排(b)螺旋差排 - 17 -
圖 3.1.1 實驗流程 - 21 -
圖 3.1.2氮化鎵的結構(SEM) - 21 -
圖 3.1.3 1200˚C退火的樣品表面出現刮痕 - 21 -
圖 3.4.1電子束與樣品間作用產生的各種訊號 - 29 -
圖 3.5.1 JEOL JEM-1230穿透式電子顯微鏡 - 31 -
圖 3.5.2 橫截面試片製備方法 - 36 -
圖 3.5.3平視野式試片製備方法 - 39 -
圖 3.6.1 AFM操作示意圖 - 42 -
圖 3.6.2原子間的作用力與距離的關係 - 44 -
圖 3.7.1布拉格繞射 - 49 -
圖 3.7.2 X光量測方法示意圖 - 49 -
圖 3.7.3 雙晶X射線繞射儀示意圖 - 50 -
圖 3.8.1光激發光量測儀器主要架構 - 51 -
圖 3.8.2半導體材料受光激發而輻射再結合過程之示意圖 - 52 -
圖 3.8.3不同之發光躍遷路徑示意圖 - 53 -
圖 4.1.1 經過1200°C退火的矽基板成長氮化鎵後的樣品表面 - 57 -
圖 4.2.1 DCXRDω-2θ掃描氮化鎵(002) - 60 -
圖 4.2.2 不同退火溫度成長的氮化鎵在不同溫度下的能隙 - 60 -
圖 4.2.3不同退火溫度成長的氮化鎵其C軸晶格常數和能隙隨退火溫度的變化 - 61 -
圖 4.2.4不同退火溫度成長的氮化鎵 (002)和(102)面rocking curves半高寬 - 61 -
圖 4.2.5 (a)透過Fourier filtering的HRTEM的原子相圖(下方左圖) (b) 矽基板與氮化鋁介面處的示意圖(下方右圖) - 62 -
圖 4.2.6晶格不匹配情況下,釋放應力和殘存應變 - 63 -
圖 4.2.7DCXRDω-2θ掃描,有明顯的纖鋅(Zinblende)結構 - 66 -
圖 4.2.8六方晶系主要滑移面與滑移方向 - 67 -
圖 4.3.1平視野影像中的各種差排類型 - 69 -
圖 4.3.2 不同退火溫度的五個樣品的TEM Plan-view影像 - 70 -
圖 4.3.3正晶帶軸為[ ]的繞射圖樣模擬圖 - 73 -
圖 4.3.4正晶帶軸為[ ]的繞射圖樣 - 73 -
圖 4.3.5正晶帶軸為[ ]的繞射圖樣模擬圖 - 74 -
圖 4.3.6正晶帶軸為[ ]的繞射圖樣 - 74 -


表目錄
表 3.1.1離子佈植及退火條件 - 22 -
表 3.5.1 離子削薄機操作條件(橫截面試片) - 34 -
表 3.5.2 離子削薄機操作條件(平視野試片) - 38 -
表 4.1.1不同退火溫度下經離子佈植之矽基板 - 56 -
表 4.2.1各種滑移系統和重要參數 - 67 -
表 4.2.2因晶格不匹配產生差排所需的力 - 68 -
表 4.3.1 各種差排密度(單位:1/cm2) - 69 -
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