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研究生:李俊毅
研究生(外文):Jun-Yi Li
論文名稱:以射頻磁控濺鍍法備製氧化鋅薄膜及異質接面之研究
論文名稱(外文):A Study of Growth and Heterojunction for ZnO Thin Films by RF Magnertron sputtering
指導教授:劉冠廷劉冠廷引用關係
指導教授(外文):Liu, Kuanting
口試委員:吳信賢張益新陳進祥康定國劉冠廷
口試委員(外文):Wu, SeanChang, YeeshinChen, ChinhsiangKang, TingkuoLiu, Kuanting
口試日期:2012-07-06
學位類別:碩士
校院名稱:正修科技大學
系所名稱:電子工程研究所
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:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:67
中文關鍵詞:射頻磁控濺鍍法氧化鋅異質接面
外文關鍵詞:RF-sputteringZnOHeterojunction
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本實驗利用射頻磁控濺鍍法於n型(100) GaAs基板上沉積氮化鋅薄膜後,再使用下列兩種不同的熱氧化方式分別以400、500和600℃加熱3小時,製備摻雜氮之氧化鋅薄膜:(1)使用方型爐於大氣中進行熱氧化製程。(2)使用管狀高溫爐於氧氣氛圍中進行熱氧化製程。
量測方面,使用X光繞射分析儀、光激發螢光光譜儀、霍爾量測,探討兩種不同的熱氧化方式所製備出摻雜氮之氧化鋅薄膜特性。綜合以上分析數據,我們成功的在氧氣氛圍下以熱氧化溫度500℃加熱3小時,製作出電洞濃度為2.85 x 1018cm-3的摻雜氮之p-type氧化鋅薄膜,並獲得最強的氧化鋅(002)X光繞射峰強度以及束縛激子與中性受體間遷移之光激發螢光光譜發光強度。
此外,我們使用成功製備於n-type GaAs基板上的p-type氧化鋅薄膜製作p-ZnO/n-GaAs異質接面二極體和蕭特基二極體。由電流電壓量測結果顯示p-ZnO/n-GaAs異質接面二極體在順偏時的起始電壓為1V、逆向偏壓5V時之漏電流約為10-5A、理想因子為1.35和零偏壓下的能障高度為0.615eV。蕭特基二極體順偏時的起始電壓約為0.4V、逆向偏壓5V時之漏電流約為10-4A、理想因子為1.21以及蕭特基能障高度為0.376eV。

In this study, nitrogen-doped ZnO films are fabricated by thermal oxidation of Zn3N2 films that is deposited on the n-type (100) GaAs substrates by rf magnetron sputtering system. The thermal oxidation process is performed by using two kinds of methods as follows : (1) Zn3N2 films are heated in atmosphere at 400~600℃ for 3 hr by thermal furnace ; (2) Zn3N2 films are heated in oxygen ambient at 400~600℃ for 3 hr by thermal furnace.
The crystal quality of nitrogen-doped ZnO films prepared by the different thermal oxidation process is systematically investigated by using X-ray diffraction、photoluminescence and Hall effect measurement. It is found that we have successfully fabricated p-type ZnO film with a hole concentration of 2.846×1018 cm-3 from nitrogen-doped ZnO film obtained by thermal oxidation at 500℃ for 3 hr of Zn3N2 in oxygen ambient. Moreover, we also observe that a much stronger X-ray diffraction intensity of ZnO (002) peak and a stronger photoluminescence intensity of neutral acceptor-bound exciton from p-type nitrogen-doped ZnO film.
In addition, the structure of p-type ZnO films deposited on the n-type GaAs substrates is used to fabricat p-ZnO/n-GaAs heterojunction diode and Schottky diode. From current-voltage measurement, it is found that we can achieve a turn-on voltage of 1V, a leakage current of 10-5A at a 5-V reverse bias, an ideal factor of 1.35 and a zero bias barrier height of 0.615eV for p-ZnO/n-GaAs heterojunction diode. The Schottky diode shows a turn-on voltage of 0.4V, a leakage current of 10-4A at a 5-V reverse bias, an ideal factor of 1.21 and a Schottky barrier height of 0.376eV.

目 錄
第一章 前言‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧1
1-1研究背景‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧1
1-1研究目的‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧2
第二章 材料特性與技術原理‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧3
2-1 Zn3N2薄膜特性 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧3
2-2 ZnO薄膜特性 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧3
2-3 ZnO薄膜之電特性‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧5
2-4 ZnO薄膜之發光機制‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧5
2-5 ZnO薄膜之光學性質 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 7
2-6 ZnO薄膜的缺陷‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧7
2-7 光學 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧10
2-8 濺鍍理論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧12
2-9 反應性濺鍍‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧13
2-10 磁控濺鍍 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧14
2-11 射頻RF濺鍍 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧15
2-12 DC直流濺鍍 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧19
2-13 電漿理論 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧20
2-14 輝光放電 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧26
2-15 薄膜沉積理論 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧29
2-16 金屬─半導體接面理論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧31
2-17 PN接面理論 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧31
2-18 蕭特基接面理論 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧33
第三章 實驗方法與步驟 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧37
3-1 實驗步驟‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧37
3-1-1 基板清洗 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧37
3-1-2 薄膜沉積 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧38
3-1-3 熱氧化處理製程 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧39
3-2 p-ZnO/n-GaAs 異質接面二極體製程 ‧‧‧‧‧‧‧‧39
3-3 蕭特基二極體製程‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧40
3-3-1 製作歐姆接觸 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧40
3-3-2 製作蕭特基接觸 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧40
3-6 X光繞射儀分析 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧41
3-7 光致螢光譜儀‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧41
3-8 霍爾量測‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧42
3-9 膜厚量測‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧42
3-10 掃瞄式電子顯微鏡 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧43
3-11 電流電壓分析儀 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧45
第四章 結果與討論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧46
4-1 薄膜結晶結構分析 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧46
4-1-1 在大氣環境下熱氧化之薄膜 ‧‧‧‧‧‧‧‧46
4-1-2 在氧氣環境下熱氧化之薄膜 ‧‧‧‧‧‧‧‧47
4-2 光學分析‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧49
4-2-1 在大氣環境下熱氧化之薄膜 ‧‧‧‧‧‧‧‧49
4-2-2 在氧氣環境下熱氧化之薄膜 ‧‧‧‧‧‧‧‧50
4-3 膜厚分析 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧52
4-4 電性分析‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧54
4-4-1 在大氣環境下熱氧化之薄膜 ‧‧‧‧‧‧‧‧54
4-4-2 在氧氣環境下熱氧化之薄膜 ‧‧‧‧‧‧‧‧55
4-5 表面結構分析 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧56
4-6 電流電壓分析 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧58
4-6-1 p-ZnO/n-GaAs異質接面二極體電流-電壓特性‧‧58
4-6-2 蕭特基二極體電流-電壓特性‧‧‧‧‧‧‧‧‧60
第五章 結論與未來展望‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧62
參考文獻 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧64



表 目 錄
表4-1 於大氣中不同熱氧化溫度下之薄膜電特性‧‧‧‧‧‧‧54
表4-2 於氧氣中不同熱氧化溫度下之薄膜電特性‧‧‧‧‧‧‧55

圖 目 錄
圖2-1 氧化鋅結構圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧4
圖2-2 缺陷能階圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧10
圖2-3 電磁光光譜 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧10
圖2-4 太陽光光譜 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧11
圖2-5 RF Sputter系統示意圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧18
圖2-6 離子化碰撞意識圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧22
圖2-7 解離碰撞過程意識圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧23
圖2-8 激發碰撞前後意識圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧24
圖2-9 複合過程示意圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧25
圖2-10 薄膜沉積示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧30
圖2-11 PN二極體形成時載子的移動示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧32
圖2-12 金屬-n 型半導體接觸能帶圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧33
圖2-13 蕭特基位障在順向偏壓下的基本載子傳導機制‧‧‧‧35
圖3-1 p-ZnO/n-GaAs 異質接面二極體結構圖‧‧‧‧‧‧‧‧40
圖3-2 蕭特基二極體結構圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧40
圖4-1(a) 於大氣中不同熱氧化溫度薄膜持溫三小時之XRD特性‧‧‧48
圖4-1(b) 於氧氣中不同熱氧化溫度薄膜持溫三小時之XRD特性‧‧‧48
圖4-2(a) 於大氣中不同熱氧化溫度下持溫三小時之薄膜PL特性‧‧‧51
圖4-2(b) 於氧氣中不同熱氧化溫度下持溫三小時之薄膜PL特性‧‧‧51
圖4-3(a) 於大氣中不同熱氧化溫度下持溫三小時之膜厚 ‧‧‧‧‧53
圖4-3(b) 於氧氣中不同熱氧化溫度下持溫三小時之膜厚 ‧‧‧‧‧53
圖4-5(a) 熱氧化溫度400℃持溫三小時形成之薄膜 ‧‧‧‧‧‧‧‧57
圖4-5(b) 熱氧化溫度500℃持溫三小時形成之薄膜 ‧‧‧‧‧‧‧‧57
圖4-5(c) 熱氧化溫度600℃持溫三小時形成之薄膜 ‧‧‧‧‧‧‧‧57
圖4-6 p-ZnO/n-GaAs異質接面二極體電流-電壓特性‧‧‧‧‧60
圖4-7 蕭特基二極體電流-電壓特性 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧61

參考資料
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