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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:周士閎
研究生(外文):CHOU, SHIH-HUNG
論文名稱:以有機金屬化學氣相沉積法成長磷化銦於砷化鎵基板之研究
論文名稱(外文):The Study of Indium Phosphide Grown on Gallium Arsenide Substrate by MOCVD
指導教授:温武義
指導教授(外文):UEN, WU-YIH
口試委員:温武義洪慧芬蔡雨利
口試委員(外文):UEN, WU-YIHHONG, HUEI-FENTSAI, YU-LI
口試日期:2022-07-06
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:電子工程學系
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:2022
畢業學年度:110
語文別:中文
論文頁數:70
中文關鍵詞:有機金屬化學氣相沉積法磷化銦薄膜兩階段成長法
外文關鍵詞:metal-organic chemical vapor depositionInP filmstwo-step growth technique
DOI:10.6840/cycu202201168
相關次數:
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本論文使用有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)成長磷化銦薄膜於砷化鎵基板上,由於砷化鎵(GaAs)與磷化銦(InP)兩者之間存在著3.8 %的晶格不匹配,因此在磊晶時會產生許多的缺陷,導致磊晶品質尚有極大改善空間,也因此使得目前磷化銦的應用還是受到諸多限制,為了解決上述問題本研究以兩階段成長法(Two-step growth technique)先以低溫成長厚度20~50 nm磷化銦(LT-InP)薄膜作為成核層(Nucleation layer),隨後升溫至700 °C成長厚度約0.4 μm之單晶HT-InP薄膜,來降低異質接面間的缺陷,並以不同溫度以及前驅物V/III比的調變來改善薄膜的品質並進行分析及探討。
由實驗結果顯示,當 LT-InP的成長溫度逐由425 °C上升至475 °C時,X光繞射儀所量到的搖擺曲線的半高寬也逐漸上升,代表著InP單晶品質逐漸劣化,由此可知低溫成核層之成長溫度不宜過高,以防止HT-InP薄膜呈現多晶的狀況。另外LT-InP成核層的III族前驅物流量也不應過低,以防LT-InP成核層無法完整覆蓋於所要成長之表面上。最後以較佳LT-InP成核層之成長條件(溫度450 °C、TMIn流量900 slm、厚度20 nm),然後在其上成長厚度2 μm的HT-InP薄膜,當HT-InP成長溫度為675 °C時,其XRD半高寬僅461 arcsec。雖然該薄膜之XRD半高寬值已可與其他研究相關之文獻結果相比擬,但InP薄膜品質仍有改善之空間。

In this thesis, a low-pressure metal-organic chemical vapor deposition system (MOCVD) is used to grow indium phosphide thin films on GaAs substrates. Owing to a high lattice match of 3.8 % between GaAs and InP, many defects will be generated during the hetero-epitaxial process. There is still room for improvement in the epitaxial quality, which also makes the application of present indium phosphide films be subject to many restrictions. To solve the lattice misfit problems, this study uses a two-step growth technique. In which, firstly an indium phosphide nucleation layer (LT-InP) with a thickness of 20-50 nm was grown at a low temperature range of 425 – 475 °C. Then, the temperature is raised to 700 °C for the growth of good-quality top layer (HT-InP) with a thickness of about 0.4 μm. The growth parameters including the V/III ratio of the raw materials the growth temperature and the growth thickness have been modulated to determine optimal growth conditions for LT-InP layer.
It is found that when the growth temperature of LT-InP is increased from 425°C to 475°C, the full width at half maximum of the X-ray rocking curve (XRD FWHM) for the HT-InP film also increases. This result demonstrated that good-quality HT-InP film can be obtained by optimizing the growth temperature of nucleation layer. It was also found that the growth temperature of nucleation layer should not be too high to prevent the HT-InP film from showing a polycrystalline state. In addition, the gas flow rate of Group III precursor for the nucleation layer growth should also be optimized to prevent an incomplete coverage of InP nucleation on the GaAs substrate.
Finally, an HT-InP film with a thickness of 2 μm was grown on top under the optimized growth conditions of the LT-InP nucleation layer (growth temperature: 450 °C, TMIn flow rate: 900 slm, thickness: 20 nm). As for the HT-InP growth, when it was grown at 675 °C, its XRD FWHM is only 461 arcsec. Through the present study, it was found that the highly mismatched hetero-epitaxial structure of InP on GaAs can be prepared by a simple two-step growth technique with the top film quality analogous to other related literature.

目次
摘要 I
Abstract II
致謝 IV
目次 V
圖目錄 VIII
表目錄 XII
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2 磷化銦結構與特性 1
1.3 研究動機 3
1.4 文獻回顧 5
第二章 磷化銦單晶應用與技術發展 9
2.1 III-V族太陽能電池 9
2.1.1 磷化銦型太陽能電池 9
2.2 磷化銦其它應用與發展 10
第三章 實驗設備 12
3.1 磊晶設備 12
3.1.1有機金屬化學氣相沉積(Metal-organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD, Aixtron 2800-G4) 12
3.1.2 MOCVD磊晶原理 13
3.1.3 氣體混合控制系統(Gas handling & mixing system) 14
3.1.4 反應腔(Reactor Chamber) 15
3.1.5 廢氣處理系統(Scrubber, LS-2100) 17
3.1.6 前驅物反應源(Precursor) 17
3.2量測設備 20
3.2.1 光學式顯微鏡(Optical Microscope, OM) 20
3.2.2 X光繞射儀(X-Ray Diffraction, XRD, Bruker D8 Discover) 21
3.2.3 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM, Bruker Innova SPM) 23
3.2.4 光致發光光譜儀(Photoluminescence, PL, Rpm2000) 25
第四章 實驗方法與流程 27
4.1 磊晶結構 27
4.2 實驗流程 28
4.2.1 磊晶流程 28
4.2.2 薄膜量測 29
第五章 結果與討論 30
5.1 前言 30
5.2 改變LT-InP成長溫度之分析 30
5.3 改變LT-InP之TMIn流量之分析 36
5.4 改變LT-InP成長厚度之分析 41
5.5改變HT-InP成長溫度之分析 45
第六章 結論與未來展望 52
6.1 結論 52
6.2 未來展望 53
參考文獻 54

圖目錄
圖 一 InP晶體結構 [1] 2
圖 二 直接能隙(左)與間接能隙(右)示意圖 [2] 2
圖 三 常見Ⅲ-Ⅴ族半導體之能隙與晶格常數圖 [4] 4
圖 四 使用兩階段成長法成長InP/GaAs 之XRD ω-2θ結果 [10] 6
圖 五 使用成分漸變緩衝層之TEM圖像 [11] 7
圖 六 使用SLSLs之磊晶結構 [12] 7
圖 七 InAlAs/GaAs之TEM圖像(a)使用SLS結構(b)沒有使用SLS結構 [13] 8
圖 八 有無使用SLS結構缺陷密度之比較 [13] 8
圖 九 InP型太陽能電池基本結構 9
圖 十 磷化銦市場預測發展 [16] 11
圖 十一 MOCVD系統結構圖 12
圖 十二 MOCVD磊晶示意圖[18] 13
圖 十三 氣體混和控制系統之操控軟體介面 [18] 14
圖 十四 加熱線圈(RF Coil) [18] 15
圖 十五 中央噴嘴(Central Nozzle) [19] 16
圖 十六 承載盤(Chamber Lid) [19] 16
圖 十七 有機金屬化合物前驅物之流量調節示意圖 [18] 18
圖 十八 氫化物前驅物流量調節示意圖 [18] 18
圖 十九 光學式顯微鏡 20
圖 二十 布拉格繞射之原理[25] 21
圖 二十一 X光繞射儀[26] 22
圖 二十二 原子力顯微鏡原理 23
圖 二十三 原子力顯微鏡[28] 25
圖 二十四 光致發光原理圖 26
圖 二十五 光致發光光譜儀[32] 26
圖 二十六 磊晶結構示意圖 27
圖 二十七 InP/GaAs製程時間與溫度之關係圖 28
圖 二十八 InP與GaAs XRD ω-2θ之峰值位置 31
圖 二十九 不同LT-InP成長溫度下InP薄膜之XRD rocking curve分析結果 32
圖 三十 w/o LT-InP之OM 500倍圖像 32
圖 三十一 LT-InP成長溫度在475 °C下InP薄膜之OM 500倍圖像 33
圖 三十二 LT-InP成長溫度在450 °C下InP薄膜之OM 500倍圖像 33
圖 三十三 LT-InP成長溫度在425 °C下InP薄膜之OM 500倍圖像 34
圖 三十四 W/o LT-InP與不同LT-InP成長溫度下InP薄膜之AFM量測 35
圖 三十五 不同TMIn流量下InP薄膜之XRD rocking curve分析結果 37
圖 三十六 TMIn流量為600 slm時InP薄膜之OM 500倍圖像 38
圖 三十七 TMIn流量為750 slm時InP薄膜之OM 500倍圖像 38
圖 三十八 TMIn流量為900 slm時InP薄膜之OM 500倍圖像 39
圖 三十九 不同TMIn流量下InP薄膜之AFM圖像 40
圖 四十 不同LT-InP成長厚度下InP薄膜之XRD rocking curve分析結果 42
圖 四十一 LT-InP成長時間6 min時InP薄膜之 OM 500倍圖像 42
圖 四十二 LT-InP成長時間12 min時InP薄膜之OM 500倍圖像 43
圖 四十三 LT-InP成長時間18 min時InP薄膜之OM 500倍圖像 43
圖 四十四 不同LT-InP成長時間下InP薄膜之AFM圖像 44
圖 四十五 不同HT-InP成長溫度下InP薄膜之XRD之rocking curve分析結果 46
圖 四十六 HT-InP成長溫度為650 °C時InP薄膜之OM 500倍圖像 47
圖 四十七 HT-InP成長溫度為675 °C時InP薄膜之OM 500倍圖像 47
圖 四十八 HT-InP成長溫度為700 °C時InP薄膜之OM 500倍圖像 48
圖 四十九 HT-InP成長溫度為725 °C時InP薄膜之OM 500倍圖像 48
圖 五十 不同HT-InP成長溫度下InP薄膜之AFM圖像 49
圖 五十一 HT-InP成長溫度為650 °C時InP薄膜之在室溫之PL量測結果 50
圖 五十二 HT-InP成長溫度為675 °C時InP薄膜之在室溫之PL量測結果 50
圖 五十三 HT-InP成長溫度為700 °C時InP薄膜之在室溫之PL量測結果 50
圖 五十四 HT-InP成長溫度為725 °C時InP薄膜之在室溫之PL量測結果 51
圖 五十五 直接成長HT-InP時InP薄膜之在室溫之PL量測結果 51
圖 五十六 InP/InP同質成長在室溫之PL量測結果 51


表目錄
表格1 InP與GaAs與Si的各項特性比較[3] 3
表格2 常見III族前驅物 19
表格3 常見V族前驅物 19
表格4 不同LT-InP成長溫度下InP薄膜之分析結果 31
表格5 不同LT-InP之TMIn流量下InP薄膜之分析結果 37
表格6 不同LT-InP成長時間下InP薄膜之分析結果 41
表格7 不同HT-InP成長溫度下InP薄膜之分析結果 46




參考文獻
[1] 磷化銦‚維基百科‚自由的百科全書.
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A3%B7%E5%8C%96%E9%8A%A6
[2] Geoffroy Lerosey, Mathias Fink,” Acousto-optic imaging: Merging the best of two worlds,” Nature Photonics 7(4):265-267, April 2013.
[3]磷化銦(InP)在5G超高速傳輸技術之應用潛力. (2020, August 12). 經濟部技術處.
https://www.moea.gov.tw/MNS/doit/industrytech/IndustryTech.aspx?menu_id=13545&it_id=320
[4]D. Alonso-Álvarez, T. Wilson, P. Pearce, M. Führer, D. Farrell, N. Ekins-Daukes, “Solcore: a multi-scale, Python-based library for modelling solar cells and semiconductor materials,” Journal of Computational Electronics 17,1099–1123, 2018.
[5]F. M. Morales, R. García, S. I. Molina, A. Aouni, P. A. Postigo, C. G. Fonstad, “Microstructural improvements of InP on GaAs (001) grown by molecular beam epitaxy by in situ hydrogenation and postgrowth annealing ” Applied physics letters. 94, 041919, 2009.
[6]M. L. Nakarmi, B. Cai, J. Y. Lin, H. X. Jiang,” Three-step growth method for high quality AlN epilayers,” Phys. Status Solidi A 209, No. 1, 126–129(2012).
[7]Kenneth E. Lee, Eugene A. Fitzgerald,” High-quality metamorphic compositionally graded InGaAs buffers,” Journal of Crystal Growth 312,250–257, 2010.
[8]C R Bayliss, D L Kirk,’’ The compositional and structural changes that accompany the thermal annealing of (100) surfaces of GaAs, InP and GaP in vacuum,” J. Phys. D: Appl. Phys., Vol. 9,233, 1976.
[9]Deping Xiong, Xiaomin Ren, Qi Wang, Aiguang Ren, Jing Zhou, Jihe Lv, Shiwei Cai, Hui Huang, Yongqing Huang,” Epitaxial lateral overgrowth of InP/GaAs (1 0 0) heterostructures by metalorganic chemical vapor deposition,” Microelectronics Journal 38, 606–609, 2007.
[10]Qi Wang, Jihe Lu , Deping Xiong, Jing Zhou, Hui Huang, Ang Miao, Shiwei Cai, Yongqing Huang, Xiaomin Ren,’’ Metamorphic In0.53Ga0.47As p-i-n photodetector grown on GaAs substrates by low-pressure MOCVD,’’ CHINESE OPTICS LETTERS / Vol. 5, No. 6 / June 10, 2007.
[11]Kenneth E.Lee, EugeneA.Fitzgerald, “High-quality metamorphic compositionally graded InGaAs buffers,” Journal of Crystal Growth312, 250–257, 2010.
[12] Ludovico Megalini, Simone Tommaso Šuran Brunelli, William O. Charles, Aidan Taylor,Brandon Isaac, John E. Bowers, Jonathan Klamkin,” Strain-Compensated InGaAsP Superlattices for Defect Reduction of InP Grown on Exact-Oriented (001) Patterned Si Substrates by Metal Organic Chemical Vapor Deposition,” materials,11,337,2018.
[13] Md T. Islam, T. Kujofsa, J. E. Ayers,” A Modeling Study of Dislocation Behavior in InGaAs/GaAs (001) and InAlGaAs/GaAs (001) Heterostructures Utilizing Strained-Layer Superlattices,” ECS Transactions, 92 (6) 31-41, 2019.
[14] 翁敏航‚太陽能電池-原理、元件、材料、製程與檢測技術.
[15] 張永源, & 蕭達慶. (2021, July 5). 磷化銦單晶應用與技術發展現況,工研院材化所,材料世界網.
https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=47126
[16] Yole,” With more than US$5 billion in 2026, the InP bare die market is offering opportunities and profits,” edge ai + vision ALLIANCE, 2021.
https://www.edge-ai-vision.com/2021/09/with-more-than-us5-billion-in-2026-the-inp-bare-die-market-is-offering-opportunities-and-profits/
[17] 有機金屬化學氣相沉積法‚維基百科‚自由的百科全書.
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%9C%89%E6%9C%BA%E9%87%91%E5%B1%9E%E5%8C%96%E5%AD%A6%E6%B0%94%E7%9B%B8%E6%B2%89%E7%A7%AF%E6%B3%95
[18] Dietmar A. Schmitz,” Basics of MOCVD Chemistry and Technology,” AIXTRON, 2010.
[19] 黃文祥,” MOCVD磊晶系統介紹,” 行政院原子能委員會核能研究所,2010.
[20] 陳品捷,以有機金屬化學氣相沉積法磊晶成長砷化鎵薄膜於矽基板之優化研究,中原大學電子工程學系碩士論文,2019.
[21] 連建惟,以金屬有機化學氣相沉積法成長砷化鎵薄膜於矽基板之研究,中原大學電子工程學系碩士論文,2020.
[22] 光學顯微鏡的成像理, Pooher,2020.
https://www.pooher.com/xinwen/1028.html
[23] Bragg's law, Wikipedia.
https://en.wikipedia.org/wiki/Bragg%27s_law
[24] Eby, G.N.,”Principles of Environmental Geochemistry. Brooks/Cole-Thomson Learning,” Australia: Thomson-Brooks/Cole, p.212-214, 2004.
[25] Darrell Henry, Nelson Eby, John Goodge, David Mogk,” X-ray reflection in accordance with Bragg's Law,” Montana State University.
https://serc.carleton.edu/research_education/geochemsheets/BraggsLaw.html
[26] “X-RAY DIFFRACTION (XRD) D8 DISCOVER,” https://www.bruker.com/en/products-and-solutions/diffractometers-and-scattering-systems/x-ray-diffractometers/d8-discover-family/d8-discover.html
[27] “原子力顯微鏡原理,”http://web1.knvs.tp.edu.tw/AFM/ch4.htm
[28] “ATOMIC FORCE MICROSCOPE Innova,”
https://www.bruker.com/en/products-and-solutions/microscopes/materials-afm/innova-afm.html
[29] R. Arinéro, G. Lévêque, P. Girard, J. Y. Ferrandis,” Image processing for resonance frequency mapping in atomic force modulation microscopy,” REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 78, 023703, 2007.
[30] 謝嘉民,賴一凡,林永昌,枋志堯,”光激發螢光量測的原理、架構及應用 Photoluminescence: Principles, Structure, and Applications,” 科儀新知第二十六卷第六期 94.6.
[31] FengWang, Xiao-Ke Liu, Feng, Gao,” Advanced Nanomaterials for Solar Cells and Light Emitting Diodes,” Micro and Nano Technologies 2019, Pages 1-35.
[32] “Nanometrics RPM 2000 Photoluminescence Mapper,”
https://cores.research.asu.edu/aep/equipment/nanometrics-rpm-2000- photoluminescence-mapper
[33] F. M. Morales, R. García, S. I. Molina, A. Aouni, P. A. Postigo, C. G. Fonstad, “Microstructural improvements of InP on GaAs (001) grown by molecular beam epitaxy by in situ hydrogenation and postgrowth annealing,” APPLIED PHYSICS LETTERS 94, 041919, 2009.

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