臺灣博碩士論文加值系統

本實驗利用分子束磊晶法成長氧化鋅磊晶薄膜，主要以氧化鋁(α-Al2O3)為基板，改變薄膜成長時磊晶溫度、鋅材料源的流量、氧分壓及氧電漿的瓦數，經由光性、結晶性、表面形貌與微結構的分析，瞭解纖鋅礦結構的氧化鋅磊晶薄膜之成核與成長機制，以改善分子束磊晶法的製程條件，找尋一最佳成長參數，此參數轉換到其它低晶格失配的基板後，期待有以下性質：表面粗糙度達到原子級的平坦度，結晶性相當一致，發光性質良好，且缺陷密度低的氧化鋅磊晶薄膜。
當磊晶溫度在600或700℃、鋅材料源的流量在1×10-7 mbar、氧分壓在1×10-5 mbar、氧電漿250~300W，此鋅氧流量比為0.01的條件下，可成長較為平坦的氧化鋅磊晶薄膜，藉由X光繞射儀及反射式高能量電子繞射儀觀察，基板與磊晶薄膜間會以較低晶格失配度(18.4％)，磊晶關係式為ZnO(0001)∥ Al2O3(0001)和ZnO [101 ¯0]∥Al2O3[112 ¯0]；另外，若先成長一低溫的氧化鋅緩衝層，而後再成長氧化鋅磊晶薄膜，除了可得到相當平坦的表面外，還可增加其結晶性質，在X光繞射針對氧化鋅(0002)做Rocking curve的半高寬值會下降許多，但會以較大晶格失配度(31.8％)和基板形成磊晶，磊晶關係式為ZnO(0001)∥ Al2O3(0001)和ZnO [112 ¯0]∥ Al2O3[112 ¯0]。若選擇與鋅氧流量比為0.01的磊晶條件，直接在低晶格失配的LAO或LGO基板上成長氧化鋅磊晶薄膜，能長出相當平坦的磊晶薄膜表面，但結晶性質及發光性質等差強人意，還是有待進一步的改善。
本實驗對在氧化鋁基板上成長的氧化鋅磊晶薄膜研究，不難發現，晶格失配很大的氧化鋁基板，欲使氧化鋅磊晶薄膜表面平坦，意即氧化鋅的島與島互相疊合頻繁，造成晶域之間容易有較大的應變，當應變釋放就會產生許多缺陷，像是差排或是空缺的缺陷出現，在光致螢光光譜的實驗中，就會容易見到很強的缺陷致深能階放光(綠發光)峰，也會使得X光繞射的Rocking curve半高寬值都比較大，表示結晶性很差；若氧化鋅磊晶薄膜以不平坦的表面形貌呈現，氧化鋅會因表面能的關係，為降低能量選擇聚集成島狀，島與島之間較少的應變，在發光性質方面，缺陷致深能階放光(綠發光)峰就不明顯，結晶性則是成長較為一致，X光繞射的Rocking curve半高寬值就會略小一點。

總目錄
摘要 III
總目錄 V
圖目錄 IX
表目錄 XIX
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
第二章 文獻回顧與理論基礎 3
2.1 分子束磊晶法 3
2.1.1 分子束磊晶法原理 3
2.1.2 分子束磊晶系統 5
2.1.3 分子束磊晶法參數 7
2.2 磊晶成長的機制 10
2.2.1 成核 11
2.2.2 層狀成長(Frank-van der Merwe mode) 12
2.2.3 島狀成長(Volmer-Weber mode) 12
2.2.4 混合成長(Stranski-Krastanov mode) 12
2.2.5 磊晶與基板之晶格失配 13
2.2.6晶格失配與成長模式 13
2.3 基板 17
2.3.1 α-氧化鋁(α-Al2O3)基板 17
2.3.2 γ-鋁酸鋰(γ-LiAlO2, γ-LAO)基板 17
2.3.3 鎵酸鋰(LiGaO2, LGO)基板 18
2.4 以MBE法成長氧化鋅 18
2.4.1 氧化鋅簡介 19
2.4.2 以MBE法成長氧化鋅之發展 19
2.4.3 以MBE法成長氧化鋅之實驗參數及分析 20
2.4.4 緩衝層對氧化鋅磊晶成長的影響 28
2.4.5 極性氧化鋅 30
2.5常用於MBE成長氧化鋅之基材 37
2.5.1 以MBE法在氧化鋁C平面基板上成長氧化鋅 37
2.5.2 以MBE法在氧化鋁A平面基板上成長氧化鋅 38
2.5.3 以MBE法在低晶格失配基材上成長氧化鋅 38
第三章 實驗方法 41
3.1 基板準備 41
3.2 分子束磊晶成長系統 41
3.2.1 超高真空腔室(Growth chamber) 42
3.2.2 晶圓承載腔(Load-lock chamber) 42
3.2.3 分子束蒸鍍源(Effusion cell) 42
3.2.4 射頻電漿源(RF plasma source) 43
3.2.5 流量計(Beam flux monitor) 43
3.2.6 石英震盪膜厚監控器(QCM) 43
3.2.7 反射式高能量電子繞射(RHEED) 44
3.3 磊晶成長步驟與參數 44
3.4 氧化鋅薄膜分析 47
3.4.1 掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察與分析 47
3.4.2 X光光電子能譜(XPS)分析 48
3.4.3 X光繞射(XRD)分析 48
3.4.4 顯微光致螢光光譜儀(Micro PL)分析 48
3.4.5 反射式高能量電子繞射儀(RHEED)觀察與分析 49
3.4.6 原子力顯微鏡(AFM)觀察與分析 49
3.4.7 電子背向散射繞射(EBSD) 觀察與分析 49
第四章 實驗結果 50
4.1 基板表面分析 50
4.2 MBE成長氧化鋅之參數 51
4.3 掃描式電子顯微鏡觀察(SEM)與分析 57
4.4 X光繞射(XRD)分析 65
4.5 顯微光致螢光光譜儀(Micro PL)分析 77
4.6 反射式高能量電子繞射儀(RHEED)分析 86
4.7 電子背向繞射(EBSD)分析 95
4.8 X光光電子能譜(XPS)分析 98
第五章 討論 101
第六章 結論 108
第七章 參考文獻 109

1. M. Fox, Optical Properties of Solids, Oxford University Press (2001).
2. S. O. Kasap, Principles of Electronic Materials and Devices, 3nd edn, McGraw-Hill Education, (2006) 543.
3. H. Amano, I. Akasaki, K. Hiramatsu, and N. Koide, Thin Solid Films, 163 (1988) 415.
4. I. Akasaki, H. Amano, Y. Koide, K. Hiramatsu, and N. Sawaaki, J. Cryst. Growth, 98 (1989) 209.
5. H. Amano, M. Kito, K. Hiramatsu, and I. Akasaki, Jpn. J. Appl. Phys., 28 (1989) L2112.
6. S. Nakamura, M. Senoh, and T. Mukai, Jpn. J. Appl. Phys., 30 (1991) L1708.
7. S. Nakamura, T. Mukai, M. Senoh, and N. Iwasa, Jpn. J. Appl. Phys., Part2, 31 (1992) L139.
8. F. Bernadini, V. Fiorentini, and D. Vanderbilt. Phys. Rev. B, 56 (1997) R10024.
9. F. Bernadini and V. Fiorentini, Phys. Rev. B, 57 (1998) R9427.
10. V. Fiorentini , F. Bernadini., F. D. Sala, A. D. Carlo., and P. Lugli, Phys. Rev. B, 60 (1999) 8849.
11. C. Klingshirn, Phys. Stat. Sol. (b), 244 No.9 (2007) 3027.
12. M. A. Herman and H. Sitter, Molecular Beam Epitaxy: Fundamentals and Current Status, 2nd edn, Springer, (1996).
13. 莊允中，“奈米鍍膜技術動向分析”，金屬工業發展中心出版，（2004）。
14. C. A. Bishop, Vacuum deposition onto webs, films, and foils, William Andrew, (2007).
15. R. T. Bayard, and D. Alpert, Review of Scientific Instruments, 21 (1950) 571.
16. W. Braun, Applied RHEED: reflection high-energy electron diffraction during crystal growth, Springer (1999).
17. E. A. Wood, J. Appl. Phys., 35 (1964) 1306.
18. W. H. King, Anal. Chem., 36 (1964) 1735.
19. A. Trampert and K. H. Ploog, Crys. Res. Technol., 35 (2000) 793.
20. J. Venables, Introduction to surface and thin film processes, Cambridge University Press (2000).
21. K. N. Tu, J. W. Mayer, and L. C. Feldman, Electronic thin film science: for electrical engineers and materials scientists, Macmillan (1992).
22. J. E. Ayers, Heteroepitaxy of semiconductor, CRC press (2006).
23. I. Daruka and A. L. Barabasi, Phys. Rev. Lett., 79 (1997) 3708.
24. H. Morkoc and U. Ozgur, Zinc Oxide-Fundamentals: Materials and Device Technology, Wiley-VCH, (2009).
25. W. Y. Shiao, C. Y. Chi, S. C. Chin, C. F. Huang, T. Y. Tang, Y. C. Lu, Y. L. Lin., L. Hong, F. Y. Jen, C. C. Yang, B. P. Zhang, and Y. Segawa, J. Appl. Phys., 99 (2006) 054301.
26. T. Makino, K. Tamura, C. H. Chia, Y. Segawa, M. Kawasaki, A. Ohtomo, and H. Koinuma , J. Appl. Phys., 92 (2002) 7157.
27. M. M. C. Chou, L. Chang, H. Y. Chung, T. H. Huang, J. J. Wu, and C. W. Chen, J. Cryst. Growth, 308 (2007) 412.
28. M. Marezio, Acta Crystallogr, 19 (1965) 396.
29. 鐘曉儀，“以化學氣相沉積法成長(101 ¯0)非極性氧化鋅薄膜於鋁酸鋰基板”，國立中山大學材料科學研究所碩士論文，(2007)。
30. M. Marezio, Acta Crystallogr, 18 (1965) 481.
31. T. Huang, S. Zhou, H. Teng, H. Lin, J. Wang, P. Han, and R. Zhang, J. Cryst. Growth, 310 (2008) 3144.
32. T. Makino, C. H. Chia, N. T. Tuan, Y. Segawa, M. Kawasaki, A. Ohtomo, K. Tamura, and H. Koinuma, Appl. Phys. Lett., 76 (2000) 3549.
33. J. Zou, S. Zhou, C. Xia, Y. Hang, J. Xu, S. Gu, and R. Zhang, J. Cryst. Growth, 280 (2005) 185.
34. H. Xu, K. Ohtani, M. Yamao, and H. Ohno, Appl. Phys. Lett., 89 (2006) 071918.
35. H. Xu, K. Ohtani, M. Yamao, and H. Ohno, Phys. Stat. Sol. (B) 243, 4 (2006) 773.
36. M. S. Kim, T. H. Kim, D. Y. Kim, G. S. Kim, H. Y. Choi, M. Y. Cho, S. M. Jeon, J. S. Kim, J. S. Kim, D. Y. Lee, J. S. Son, J. I. Lee, J. I. Lee, J. H. Kim, E. Kim, D. W. Hwang, and J. Y. Leem, J. Cryst. Growth, 311 (2009) 3568.
37. A. El-Shaer, A. C. Mofor, A. Bakin, M. Kreye, and A. Waag, Supperlattices and Microstructures, 38 (2005) 265.
38. J. B. Cui, M. A. Thomas, Y. C. Soo, H. Kandel, and T.P. Chen, J. Appl. Phys. D, 42 (2009) 155407.
39. Y. G. Wang, S. P. Lau, X. H. Zhang, H. H. Hng, H. W. Lee., S. F. Yu, and B. K. Tay, J. Cryst. Growth, 259 (2003) 335.
40. M. J. H. Henseler, W. C. T. Lee, P. Miller, S. M. Durbin, and R. J. Reeves, J. Cryst. Growth, 287 (2006) 48.
41. S. P. Wang, C. X. Shan, B. Yao, B. H. Li, J. Y. Zhang, D.X. Shen, and X. W. Fan, Applied Surface Science, 255 (2009) 4913.
42. H. Kato, M. Sano, K. Miyamoto, and T. Yao, J. Cryst. Growth, 265 (2004) 375.
43. Y. Chen, S. K. Hong, H. J. Ko, V. Kirshner, H. Wenisch, T. Yao, K. Inaba, and Y. Segawa, Appl. Phys. Lett., 78 (2001) 3352.
44. A. Sasaki, W. Hara, A. Matsuda, N. Tetada, S. Otaka, S. Akiba, K. Saito, T. Yodo, and M. Yoshimoto, Appl. Phys. Lett., 86 (2005) 231911.
45. J. S. Park, T. Goto, S. K. Hong, S. H. Lee, J. W. Lee, T. Minegishi, S. H. Park, J. H. Chang, D. C. Oh, J. Y. Lee, and T. Yao, Appl. Phys. Lett., 94 (2009)141904.
46. H. J. Ko, T. Yao, Y. Chen, and S. K. Hong, J. Appl. Phys., 92 (2002) 4354.
47. T. Trautuitz, R. Sorgenfrei, and M. Fiederle, J. Cryst. Growth, 312 (2010) 624.
48. T. Makino, C. H. Chia, N. T. Tuan, Y. Segawa, M. Kawasaki, A. Ohtomo, K. Tamura, and H. Koinuma, Appl. Phys. Lett., 76 (2000) 3549.