【畢業(yè)學位論文】（Word原稿）氮化硼鋁鎵銦能帶結(jié)構(gòu)特性之理論研究-物理學

國立彰化師范大學物理研究所 碩士論文 指導教授：郭艷光教授 氮化硼鋁鎵銦能帶結(jié)構(gòu)特性之理論研究 of 究生：林文偉撰 中華民國九十一年六月 I 國立彰化師范大學物理研究所 碩士論文 研究生：林文偉 氮化硼鋁鎵銦能帶結(jié)構(gòu)特性之理論研究 of 論文業(yè)經(jīng)審查及口試合格特此證明 中華民國九十一年六月 權(quán)書 (博碩士論文 ) 本授權(quán)書所授權(quán)之論文為本人在 彰化師范 大學 物理 研究所 90 學年度第 2 學期取得 碩 士學位之論文。 論文名稱： 氮化硼鋁鎵銦能帶結(jié)構(gòu)特性之理論研究 同意 不同意 本人具有著作財產(chǎn)權(quán)之論文全文資料，授予行政院國家科學委員會科學技術(shù)資料中心、國家圖書館及本人畢業(yè)學校圖書館，得不限地域、時間與次數(shù)以微 縮、光碟或數(shù)位化等各種方式重制后散布發(fā)行或上載網(wǎng)路。本論文為本人向經(jīng) 濟部智慧財產(chǎn)局申請專利的附件之一，請將全文資料延后兩年后再公開。 (請注明文號： ) 同意 不同意 本人具有 著作財產(chǎn)權(quán)之論文全文資料，授予教育部指定送繳之圖書館及本人畢業(yè)學校圖書館，為學術(shù) 研究之目的以各種方法重制，或為上述目的再授權(quán)他人以各種方法重制，不限地域與時間，惟每人一份為限。 上述授權(quán)內(nèi)容均無須訂立讓與及授權(quán)契約書。依本授權(quán)之發(fā)行權(quán)為非專屬性發(fā)行權(quán)利。依本授權(quán)所為之收錄、重制、發(fā)行及學術(shù)研究利用為無償。上述同意與不同意之欄位若未鉤選，本人同意視同授權(quán)。 指導教授姓名： 郭艷光 研究生簽名： 學號： 8922202 (親筆正楷 ) (務(wù)必填寫 ) 日期：民國 91 年 6 月 30 日 1. 本授權(quán)書請以黑筆撰寫并影印裝訂于書名頁之次頁。 2. 授權(quán)第一項者，請再交論文一本予畢業(yè)學校承辨人員或徑寄 106北市和平路二段 106 路 1702 室國科會科學扳術(shù)資料中心王淑貞。（電話 02 3. 本授權(quán)書已于民國 85 年 4 月 10 日送請內(nèi)政部著作權(quán)委員會 (現(xiàn)為 經(jīng) 濟部智慧財產(chǎn)局 )修正定稿。 4. 本案依據(jù)教育部國家圖書館 (85)圖編字第 712 號函辨理。 謝 首先感謝我的指導教授郭艷光老師這幾年來辛勤的指導與教誨，無論在修課研究上或是日常生活的待人處事上，讓我不只是學習到一些光電領(lǐng)域的相關(guān)知識，也讓我漸漸的學會獨立自主，在此，致上我最深也最誠摯的感謝。 感謝百忙中抽空來參加我碩士論文口試的三位口試委員，給予我在研究上的一些建議與指導，讓我在研究上能有所新的體會。 感謝所有實驗室的伙伴們：國凱學長、志原、郁妮、詒安、志康、鴻銘、嘉慶 .于你們的存在，使我有問題時能找人討論、無聊時能有人一起玩樂打屁、偷 懶被捉到時能一起挨罵，因為有你們，才使得我有一個難忘的回憶。 特別感謝我最深愛的父母，謝謝他們辛苦的扶養(yǎng)我、教導我，讓我能有今天的我，今后所有的成就我將與他們一同分享，讓他們過好日子。還有我的好友裕尹、最寵愛的狗狗嘟嘟，謝謝他們陪我渡過了最難過的一段時光。 最后，要感謝所有曾經(jīng)給予過我?guī)椭娜藗?. 錄 目錄 . 中文摘要 . 英文摘要 X 圖表索引 . 第一章 -氮化硼鋁鎵銦材料之 結(jié)構(gòu)與 特性簡介 . 1 晶體結(jié)學談起 . 2 體之群論 2 體座標系 . 3 識基本晶體符號 . 6 量晶體種類的方法 10 元素特性談起 . 12 參考文獻 . 15 第二章 能帶計算之歷程與理論簡介 . 16 帶計算的發(fā)展歷程 . 16 V 早前用半經(jīng)驗 (研究 16 前較被接受的密度涵數(shù)理論 18 擬軟體簡介 . 20 參考文獻 . 23 第三章 構(gòu)之氮化鋁鎵銦能 帶特性 24 化銦鎵之能帶特性 . 24 想未受應(yīng)力時之特性 . 24 料受應(yīng)力情形簡介 . 29 應(yīng)力壓縮或伸長時之特性 . 33 集中 (能帶之影響 . 38 化鋁鎵之能帶特性 . 40 想未受應(yīng)力時之特性 . 40 應(yīng)力壓縮或伸長時之特性 . 44 化鋁銦之能帶特性 . 47 想未受應(yīng)力時之特性 . 48 應(yīng)力壓縮或伸長時之特性 . 54 考文獻 . 57 第四章 構(gòu)之氮化鋁鎵銦能帶特性 64 化銦鎵之能帶特性 . 64 想未受應(yīng)力時之特性 . 64 應(yīng)力壓縮或伸長時之特性 . 70 化鋁鎵之能帶特性 . 73 想未受應(yīng)力時之特性 . 73 應(yīng)力壓縮或伸長時之特性 . 77 化鋁銦之能帶特性 . 80 想未受應(yīng)力時之特性 . 81 應(yīng)力壓縮或伸長時之特性 . 86 參考文獻 . 90 第五章 構(gòu)之三元氮化硼鋁鎵銦能帶特性 95 化硼鋁 之能帶特性 . 95 想未受應(yīng)力時之特性 . 97 應(yīng)力壓縮或伸長時之特性 . 100 化硼鎵之能帶特性 . 104 想未受應(yīng)力時之特性 . 104 應(yīng)力壓縮或伸長時之特性 . 106 化硼銦之能帶特性 . 109 想未受應(yīng)力時之特性 . 109 應(yīng)力壓縮或伸長 時之特性 . 112 參考文獻 . 118 第六章 結(jié)論 121 附錄一 體使用入門 . I 附錄二 已發(fā)表之期刊論文 . 文摘要 雖然三五族氮化物 ( 導體目前已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在各種電子及發(fā)光元件上，但是相對于其他傳統(tǒng)的光電半導體而言，它的一些相關(guān)的物理發(fā)展得并不是很完備。因此我在這篇論文中，針對 三元的三五族氮化物能帶結(jié)構(gòu)加以探討，此項研究所使用的是國科會高速電腦中心的 擬軟體，我將所要研究的材料結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)、組成元素 .而計算出材料的能帶結(jié)構(gòu)并加以分析。 在第一、二章中我先簡單介紹半導體材料的一些相關(guān)的晶體學與元素特性，以作為往后研究上的一些先備知識，并簡述這種能帶理論計算的發(fā)展歷程，以及本論文所使用的 擬軟體。 第三章開始進入主要的研究主題，在這一章里我針對商業(yè)上最常見的三元 統(tǒng)作一系列的模擬，探討不同成份濃度下的能帶 間隙值、價電帶厚度及能帶間隙對濃度公式中的 數(shù)大小等性質(zhì)。另外，考慮在實際長晶時，薄膜一般不會是理想不受力的情況，多少都會受到基板或相近磊晶層的拉扯，而產(chǎn)生應(yīng)力進而造成晶格的變形，所以我也同時研究在不同應(yīng)力的條件下，能帶間隙值、價電帶厚度及彎曲系數(shù)的對應(yīng)變化情形。另一方面，氮化銦鎵 (X 在銦濃度較高時容易產(chǎn)生銦集中的現(xiàn)象，針對這點我也作了進一步的模擬，觀察它對能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。 第四章為延續(xù)第三章中的主題，只是把結(jié)構(gòu)由 成另一種常見的 構(gòu)。而在 構(gòu)中，有時會出現(xiàn)隨著化合物成份的改變，半導體材料由直接能帶間隙轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接能帶間隙的情形，所以在第四章中我也同時觀察直接與間接能帶間隙變化的情形，及直接能帶間隙轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接能帶間隙的濃度點。 基于前面第三、四章的研究結(jié)果，在第五章中我更進一步的嘗試去研究較少人探討的含硼三元氮化物的能帶結(jié)構(gòu)與其相關(guān)的特性，并對三元氮化物能帶間隙隨濃度變化的 象作初步的解釋。最后在第六章，我將這篇論文的內(nèi)容再作個回顧與結(jié)論。 X to a of to to be In my I on of of in is by of of is of as be In I do a on to I a of of my . In do a of of to in I of or to or in in of I of of In an of in is A in to in , is to it be a or an on of is to a to an on in , I to in - (a,. (a, is in is to (a, II be in I in my a 表索引 圖 晶體座標系之右型 (a)及左型 (b)。 . 4 圖 六方晶系之晶軸與晶軸角。 . 5 圖 立方晶系的 構(gòu) (a)與六方晶系的 構(gòu)(b)。 7 圖 由早期半經(jīng)驗虛擬位能近似方法所得到的 17 圖 擬結(jié)構(gòu)圖。 25 圖 擬能帶圖。 26 圖 能帶間隙對銦成份濃度之變化情形。 . 28 圖 銦成份濃度之變化情形。 . 29 圖 基板之能帶間隙與晶格常數(shù)。 . . 30 圖 受到伸長應(yīng)力時晶格受到拉長的情形 (a)及能帶變化情形(b) . . 31 圖 受到壓縮應(yīng)力時晶格受到擠壓的情形 (a)及能帶變化情形(b) . 32 圖 不同應(yīng)力 (a)、濃度 (b)下能帶間隙變化情形。 35 圖 不同應(yīng)力下 點價電帶厚度變化情形。 . 36 圖 不同應(yīng)力下二次項彎曲系數(shù)變化情形。 . 37 圖 擬之原始結(jié)構(gòu) (a)與銦集中結(jié)構(gòu) (b)。 37 擬結(jié)構(gòu)圖。 . 41 圖 擬能帶圖。 41 圖 能帶間隙 對鋁成份濃度之變化情形。 . 43 圖 鋁成份濃度之變化情形。 44 圖 不同應(yīng)力 (a)、濃度 (b)下能帶間隙變化情形。 . 45 圖 不同應(yīng)力下 點價電帶厚度變化情形。 46 圖 不同應(yīng)力下二次項彎曲系數(shù)變化情形。 47 圖 擬結(jié)構(gòu)圖。 . 48 圖 擬能帶圖。 49 圖 能帶間隙對成份濃度之變化情形。 . 51 圖 成份濃度之變化情形。 52 圖 -族 化物 帶間隙對晶格常數(shù)之關(guān)系圖。 . 53 圖 不同應(yīng)力 (a)、濃度 (b)下能帶間隙變化情形。 54 圖 不同應(yīng)力下 點價電帶厚度變化情形。 55 圖 不同應(yīng)力下二次項彎曲系數(shù)變化情形。 56 圖 擬結(jié)構(gòu)圖 (a)及所對應(yīng)之第一布里淵區(qū) (b)。 65 圖 擬能帶圖。 . 66 圖 擬 of . 66 圖 能帶間隙對銦成份濃度之變化情形。 68 . 69 圖 不同 應(yīng)力下直接 (a)、間接 (b)能帶間隙變化情形。 70 圖 不同應(yīng)力下 a)、 b)變化情形。 . 71 圖 不同應(yīng)力下二次項彎曲系數(shù)變化情形。 72 圖 擬能帶圖。 . 74 圖 擬 of 74 圖 能帶間隙對鋁成份濃度之變化情形。 76 圖 . 77 圖 不同應(yīng)力下直接 (a)、間接 (b)能帶間隙變化情形。 78 圖 不同應(yīng)力下 a)、 b)變化情形。 79 圖 不同應(yīng)力下二次項彎曲系數(shù)變化情形。 80 圖 擬能帶圖。 82 圖 擬 of 82 圖 能帶間隙對鋁成 份濃度之變化情形。 83 圖 84 圖 -族 化物 帶間隙對晶格常數(shù)之關(guān)系圖。 85 圖 不同應(yīng)力下直接 (a)、間接 (b)能帶間隙變化情形。 86 圖 不同應(yīng)力下 a)、 b)變化情形。 87 不同應(yīng)力下二次項彎曲系數(shù)變化情形。 . 88 圖 擬能帶圖。 97 圖 擬 of 98 圖 . 99 圖 . 100 圖 不同應(yīng)力下直接 (a)、間接 (b)能帶間隙變化情形。 . 101 圖 不同應(yīng)力下 a)、 b)變化情形。 . 102 圖 不同應(yīng)力下二次項彎曲系數(shù)變化情形。 103 圖 能帶間隙對硼成份濃度之變化情形。 . 104 圖 . 106 圖 不同應(yīng)力下直接 (a)、間接 (b)能帶間隙變化情形。 . 107 圖 不同應(yīng)力下 a)、 b)變化情形。 108 圖 不同應(yīng)力下二次項彎曲系數(shù)變化情形。 109 圖 能帶間隙對硼成份濃度之變化情形。 . 111 圖 112 圖 不同應(yīng)力下直接 (a)、間接 (b)能帶間隙變化情形。 113 圖 不同應(yīng)力下 a)、 b)變化情形。 114 圖 不同應(yīng)力下二次項彎曲系數(shù)變化情形。 . 115 六大晶系之晶軸與夾角關(guān)系。 . 6 表 等軸晶系空間群之符號表 。 . 8 表 六方晶系空間群之符號表。 . 10 表 -族元素一些基本特性。 . 13 表 想未受應(yīng)力的 擬結(jié)果。 27 表 想未受應(yīng)力的 擬結(jié)果。 . 42 表 想未受應(yīng)力的 擬結(jié)果。 50 表 多學者對 提出之不同 b 值。 . 52 表 理想未受應(yīng)力的 擬結(jié)果。 . 67 表 理 想未受應(yīng)力的 擬結(jié)果。 76 表 理想未受應(yīng)力的 擬結(jié)果。 . 83 表 理想未受應(yīng)力的 擬結(jié)果。 . 98 表 理想未受應(yīng)力的 擬結(jié)果。 . 105 表 理想未受應(yīng)力的 擬結(jié)果。 . 110 1 第一章 -氮化硼鋁鎵銦材料之結(jié)構(gòu)與特性簡介 現(xiàn)在是個講求環(huán)保、效能、高科技的時代，傳統(tǒng)效率低的照明設(shè)備已不敷需求，而雷射技術(shù)與其應(yīng)用的提升，光纖通訊的時代潮流，在在都使得光 電科技在近幾年來倍受注目。在這光電科技中不可或缺的主角當然就是光電半導體了。雖然它掘起的時間并不長，但發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛，已漸漸的融入我們的生活之中；舉凡路燈、電子廣告看板、 機、光纖傳輸系統(tǒng)、工業(yè)及醫(yī)療用雷射等，可說是無所不在。目前的光電半導體在可見光的紅光到黃綠光部分已發(fā)展的相當成熟，而在較短波長的綠光、藍光甚至是紫外光部分，卻因為長晶技術(shù)較困難以及理論基礎(chǔ)較不足的因素，使得它的發(fā)展仍未完全成熟，也因此有許多的學者、技術(shù)人員仍在努力的研究發(fā)展當中。 雖然目前藍、綠 光方面的半導體材料不只一種，不過還是以三五族氮化物半導體材料為主流。三五族氮化物半導體材料所能發(fā)射的光涵蓋了整個可見光區(qū)及部分的紫外光，能帶范圍從 管它的能帶間隙值的范圍相當廣，但對它隨著成份變化的情形卻仍未十分清楚，其中最主要的關(guān)鍵就是對能帶公式中的數(shù) (二次項系數(shù) )仍不確定。因此我們嘗試使用理論模擬的方法來探討一些氮化物半導體原始的材料特性，將材料由最原始的原子2 排列組成，進而算出三五族氮化物相對的 ，期能對三五族氮化物的材料與光學特性有更為深入的了解。以下我將簡單的介紹一些基本的相關(guān)物理，為后續(xù)的研究預作準備。 晶體結(jié)構(gòu)學談起 既然要研究有關(guān)材料的能帶特性，那最基本的當然是要知道這個材料是屬于那種晶體結(jié)構(gòu)、具有那些特性，因為晶體結(jié)構(gòu)是主宰材料各種特性的主因之一。 體之群論 各種半導體材料都是以不同的晶體結(jié)構(gòu)存在著，而所謂晶體結(jié)構(gòu)是指原子 (或分子 )在晶體內(nèi)部規(guī)則的排列，不同的排列情況，就會在外在表現(xiàn)出不同的物理性質(zhì)、光學性質(zhì)或電子性質(zhì)。 在晶體內(nèi)部，原子依循一些特定的規(guī)律在空間 上有次序地排列。許多學者努力的想找出各種可能的排列方式，最后由法國的奧古斯特布拉維 (理出現(xiàn)行完備的十四種布拉維晶格 (而這十四種晶格又可以再搭配一種或多種的對稱元素 旋轉(zhuǎn)對稱元素(反射對稱元素 (反逆對稱元素 (不同的對稱群，或稱為 230 種空間群 (絕大多數(shù)的3 晶體都屬于這 230 種空間群。 晶體外表的幾何形狀也會與晶體內(nèi)部原子的排列方式有關(guān)，理論上外表的幾何對稱性應(yīng)與內(nèi)部的結(jié)構(gòu)對稱性一致，然而晶體內(nèi)部的平移對稱性很微小 (320 10人眼無法直接觀察出來，所以在人眼所感覺的晶體幾何外形上，這種平移的對稱性并不存在，所以晶體的230 種對稱群就會濃縮成 32 種對稱群，或稱為 32 點群 ( 點群是指一組對稱元 素的組合，當這些對稱元素對一個晶體的幾何中心作運作時，這個幾何中心點位置仍能維持固定不動，所以我們稱這種組合為點群。相同的，空間群是指一組對稱元素與布拉維晶格的結(jié)合，當對稱元素在運作時，布拉維晶格或是晶格所占據(jù)的空間仍能維持不變，所以叫空間群。 體座標系 為了描述晶體外貌或原子的排列，我們需要用到一些座標系統(tǒng)來作為輔助。在晶體學中，為了方便描述這些有對稱性的排列，會選擇一些較具有對稱性的座標系統(tǒng)。而座標系統(tǒng)中的三個軸向一般是用英文的 a、 b、 c 來代表，軸與軸之間的夾角則用希臘文的 (b、 c 夾角 )、 (c、 a 夾角 )、 (a、 b 夾角 )來表示，如 1.1(a)、 (b)所示，其中，a)為右型的座標系統(tǒng)， b)為左型的座標系統(tǒng)，由于大多數(shù)的人較習慣用右手，所以大多數(shù)的晶系幾乎都是以右型的座標系統(tǒng)為主。 4 一般的教科書將 32 種晶類概分為六大系統(tǒng)，通稱為六大晶系(包括等軸晶系 ( 正方晶系 (六方晶系 (斜方晶系(單斜晶系 (三斜晶系 ( 只要晶體具有四個三重軸 (旋轉(zhuǎn)軸或旋逆軸 )，便屬于等軸晶系，此一晶系共有 5 個晶類，其中有 2 個晶類有三個互相垂直的二重旋轉(zhuǎn)軸、另 3個晶類則有三個互相垂直的四重軸，這三個互相垂直的軸向令為 a、b、 c 軸。若晶體具有一個四重軸的，就屬于正方晶系，共有 7 個晶類，其 c 軸便為這個四重軸的方向， a、 b 軸則位于與 c 垂直的平面上。 六方晶系是擁有最多 點群的一個，共有 12 個晶類，屬于這類晶系的晶體都會有一個六重軸或一個三重軸，其六重軸或三重軸就是 c 軸，a、 b 軸則垂直于 c 軸并夾 1200角。由于此晶系有六重軸和三重軸兩種， c b a a c b (a) (b) 體座標系之 (a)右型及 (b)左型 5 所以也有人將此兩類分為六方晶系和三方晶系 (但三重軸其實可包含在六重軸之內(nèi)，所以三方晶系理論上可以歸類在六方晶系之內(nèi)。而 c 軸在旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生與 a、 b 軸相對稱的第三個水平軸，形成了水平面上有 此這個晶體座標系就有了四個軸向，如 示，稱為布拉維 此時三個米勒指數(shù) (h k l)就變成了四個 (h k i l)來代表一個晶面，其中的 i = -(h + k)，也由于 i 值并非一個獨立的值 (與 h 和 k 有關(guān) )，所以也有人用一點來代表它，變成 (h k l)的形式。 再來是包含三個晶類的斜方晶系，它的特性為具有三個互相垂直的二重軸，這三個也分別代表了 a、 b、 c 三軸。而對稱性較少、只有方晶系之晶軸與晶軸角 1200 a1 a2 a3 a b c b a 1200 1200 900 900 6 一個二重軸的晶體，就歸類到單斜晶系，它只有三個晶類，而此二重軸可設(shè)為 b 或 c 軸，又晶軸角 不受限，可為任意角。最后便是最不具對稱性或是只有反逆 心性質(zhì)的晶體 它的特色就是三個軸長不相等，原則上以 a c, 鈍角 a b c 或 c a b 全為 銳角或鈍角 7 識基本晶體符號 三五族氮化物 ( 外，因為它有許多方面和鉆石結(jié)構(gòu)很相似，較不能以一般三五族氮化物的觀點來看 )在一般自然的狀態(tài)下是屬于方晶系 )的晶體結(jié)構(gòu)，而穩(wěn)定的 軸晶系 )晶體結(jié)構(gòu)可以藉由良好的長晶技術(shù)而得到。 其實在高壓的條件之下，三五族氮化物還有第三種可能的結(jié)構(gòu)形態(tài) 構(gòu)，但是就實際的應(yīng)用而言， 以在往 后的研究當中，我只討論這 體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖形如 示。 a)立方晶系的 構(gòu)與 (b)六方晶系的 構(gòu) 8 以下再簡單介紹這兩種晶系中的一些種類及符號，以方便了解。 (一 )等軸晶系 一般用來代表晶體種類的符號有三種，分別為標準符號、簡化符號、以及尚福力符號 (在這里我們只介紹最基本的標準符號。在等軸晶系中一共有 36 個空間群，如表 示。等軸晶系一般會使用 3 或 4 個有意義的符號來命名： 表 軸晶系空間群之符號表 點 群 空 間 群 標 準 符 號 23 32m 432 4 3m 34 324 3m 3434 324 3m 34341 324 3m 342 324 3n 342 324 3c 34P 3214 3d 34I 321341341第一個：代表晶格類別， F 代表面心晶格、 I 代表體心晶格、 P 代表單質(zhì)晶格。 9 第二個：代表跟 100方向 (或 010、 001等對稱的方向 )有關(guān)的對稱元素。如該對稱元素為對稱軸，表示該軸沿 100方向；若對稱元素為一平面，則代表是垂直于 100的平面。 第三個：代表跟 111(或是 111 、 111 等對稱的方向 )有關(guān)的對稱元素。 第四個：代表跟 110(或是 101 、 011 等對稱的方向 )有關(guān)的對稱元素。 以本文所研究的 構(gòu)為例，其標準符號為 m，代表 面心晶格，在沿 100方向有 4 旋逆軸，沿 111方向有三重旋轉(zhuǎn)軸，而在垂直于 110的面上則是有個反射對稱的鏡面。 (二 )六方晶系 在六方晶系的 27 個空間群中，所需要呈現(xiàn)其特質(zhì)的符號 2 至 4 個，此晶系所有空間群的符號如表 示，其各別所代表的意義 如下： 第一個：代表晶格類別，但在六方晶系中只有一種，就是單質(zhì)六方晶格。 第二個：代表跟 001方向相同或是垂直的對稱元素。 第三個 ： 代表跟 100方向 (或是其對稱相當方向 )相同或是垂直的對稱元素。 第四個 ： 代表跟 210方向 (或是其對稱相當方向 )相同或是垂直的對稱元素。 10 表 方晶系空間群之符號表 點 群 空 間 群 標 準 符 號 6 6 m2 266 66 2666 266522 6 2m 2636222 6 2c 2636422 6322 如果我們以目前在三五族氮化物半導體系統(tǒng)中用的最多的構(gòu)為例，其標準符號為 以我們知道 單質(zhì)六方晶格，在沿 001方向 (即 c 結(jié)晶軸方向 )有一個六重旋轉(zhuǎn)軸，垂直于 100的平面上有個反射對稱的鏡面，最后的 c 則是代表在垂直于 210方向上有一組 c 晶軸的射移面。 量晶體種類的方法 要決定一個材料的晶體種類，可以先從其特殊的幾何外形來預估，但是這樣的準確性還不夠，因為一種晶形可能會出現(xiàn)在許多種不同的11 晶類中，所以我們需要再用其它的辨別方法來做進一步的判斷。 較早以前，晶體學家是采用晶體的蝕刻測試 (，以適當?shù)娜芤航g晶體的晶面，使晶面上產(chǎn)生浸蝕痕跡 (稱之為蝕像( )，而該晶面蝕像的對稱性會與垂直于該晶面的點群之對稱性相同，再加上同一種晶形的不同晶面上雖然會有相同的蝕像，但蝕像的方位卻可以不同 (以因應(yīng)整個晶體之點群對稱性 )，所以我們便可由此得知正確的晶類。但是這種方法的缺點在于浸蝕溶液的選擇與浸蝕時間的掌控都不容易，所以現(xiàn)在很少人還在用這種方法。 另一種目前最常被人拿來測量晶體種類的方法，是用 X 光晶體繞射法， 它只要用 X 光去照射待測晶體，再由所得到的繞射圖譜就可以去分析晶類。只是 X 光的繞射本身并無法分辨晶體是否有對稱中心，所以不管原本晶體是否有對稱中心， X 光圖譜都會有此對稱中心，此一缺點使得 X 光繞射法只能分辨出 11 種晶類。還好的是，有些晶體本身還會有熱電效應(yīng) (壓電效應(yīng) (所以若再測量這兩種效應(yīng)，便可以更準確的知道晶體的種類。 要注意的是，只要晶體被測出具有熱電或壓電效應(yīng)，那它就一定沒有對稱中心，不過若沒有測出具有熱電或壓電效應(yīng)也不 一定保證晶體就有對稱中心，因為有時可能是這兩種效應(yīng)太弱而沒有被測出來。另一種常用來測量晶體對稱中心的方法，是用某一頻率的光去照射待測晶體，如果會產(chǎn)生兩倍于入射光頻率的光，就代表此晶體不具對稱中心。 12 元素特性談起 在了解不同晶體結(jié)構(gòu)的特性之后，讓我們繼續(xù)探討另一個影響材料特性的主因 以一般大家所熟知的球形原子來做說明，原子的半徑大小約為10原子由原子核、電子所組成，其各別之半徑約為 100右，由此可知原子核與電子間有著相當大的空隙，而且集中大部份 質(zhì)量的原子核，其密度更高達 1013g/ 原子的外層分布著許許多多的電子軌域，電子由內(nèi)往外一層一層地占據(jù)在不同的能階上，這些能階的能量是不連續(xù)的，電子無法存在兩相鄰能階中間的任何能量位置，也就是所謂的量子化觀念。原子序愈大的原子，所擁有的電子數(shù)愈多、同樣也就占據(jù)愈外層的軌域，就我們所研究的 -族半導體來說，各元素的電子組態(tài)如表 示。 再從電子的觀點來看，電子可以藉由吸收一些能量而從原本的能階上跳脫原子的束縛 (原子變?yōu)閹д?)，稱為游離能 (。相 反的，原子也可以去捕捉電子，而使本身帶負電，這個捕捉電子能力的大小以電負度 (表示，并且設(shè)吸引電子能力最強的 F 其電負度為 4。電負度愈大的，其對電子的親和力 (當一個電子加入一中性氣態(tài)原子時所釋出的能量 )也就愈大，而且被束縛的電子也愈難跳脫 (游離能大 )，這些 -族元素相關(guān)的值也列于表 13 表 -族元素一些基本特性 元 素 電 子 組 態(tài) 第一游離能(仟焦耳 /莫耳 ) 電 負 度 電子親和力(仟焦耳 /莫耳 ) B a l N P b 1s)2(2s)2(2p)1 3s)