【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）氮化銦鎵單量子井結(jié)構(gòu)光學(xué)特性之研究-物理學(xué)

國(guó)立彰化師范大學(xué)物理研究所 碩士論文 指導(dǎo)教授：郭艷光教授 氮化銦鎵單量子井結(jié)構(gòu)光學(xué)特性之研究 of of 究生：洪國(guó)凱撰 中華民國(guó)八十九年 i 國(guó)立彰化師范大學(xué)物理研究所 碩士論文 研究生：洪國(guó)凱 氮化銦鎵單量子井結(jié)構(gòu)光學(xué)特性之研究 of of 論文業(yè)經(jīng)審查及口試合格特此證明 論文考試委員會(huì)主席 _(黃滿芳 )_ 委員： _(林 踐 )_ _(郭艷光 )_ 指導(dǎo)教授：郭艷光助理教授 _ 所 長(zhǎng)：張惠博主任 _ 中華民國(guó)八十九年七月權(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(xué) (學(xué)院 ) 物理 系所 組 88 學(xué)年度第 2 學(xué)期取得 碩 士學(xué)之論文。 論文名稱： 氮化銦鎵單量子井結(jié)構(gòu)光學(xué)特性之研究 同意 不同意 本人具有著作財(cái)產(chǎn)權(quán)之論文全文資料，授予行政院國(guó)家科學(xué)委員會(huì)科學(xué)技術(shù)資料中心、國(guó)家圖書館及本人畢業(yè)學(xué)校圖書館，得不限地域、時(shí)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(jì)部智慧財(cái)產(chǎn)局申請(qǐng)專利的附件之一，請(qǐng)將全文資料延后兩年后再公開。 (請(qǐng)注明文號(hào)： ) 同意 不同意 本人具有 著作財(cái)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(xué)校圖書館，為學(xué)術(shù)研究之目的以各種方法重制，或?yàn)樯鲜瞿康脑偈跈?quán)他人以各種方法重制，不限地域與時(shí)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(xué)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(dǎo)教授姓名： 郭艷光 研究生簽名：洪國(guó)凱 學(xué)號(hào)： 8722206 (親筆正楷 ) (務(wù)必填寫 ) 日期：民國(guó) 89 年 7 月 27 日 . 本授權(quán)書請(qǐng)以黑筆撰寫并影印裝訂于書名頁(yè)之次頁(yè)。 2. 授權(quán)第一項(xiàng)者，請(qǐng)?jiān)俳徽撐囊槐居璁厴I(yè)學(xué)校承辨人員或徑寄106北市和平路二段 106 路 1702 室國(guó)科會(huì)科學(xué)扳術(shù)資料中心王淑貞。（電話 02 3. 本授權(quán)書已于民國(guó) 85 年 4 月 10 日送請(qǐng)內(nèi)政部著作權(quán)委員會(huì) (現(xiàn)為 經(jīng) 濟(jì)部智慧財(cái)產(chǎn)局 )修正定稿。 4. 本案依據(jù)教育部國(guó)家圖書館 (85)圖編字第 712 號(hào)函辨理。 謝 從東吳大學(xué)物理系畢業(yè)之后，來到彰化師大就讀物理研究所，并且有幸進(jìn)入郭艷光老師的藍(lán)光雷射與光電半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室從事研究，到現(xiàn)在完成論文己經(jīng)過兩年的時(shí)間。兩年前，實(shí)驗(yàn)室里原本沒有任何的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，而且本身對(duì)于半導(dǎo)體發(fā)光材料的認(rèn)知不深，因此認(rèn)為需要三年的時(shí)間才能完成碩士學(xué)位。但是，如今我己經(jīng)完成碩士論文，在此我要感謝老師的指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)室伙伴們的協(xié)助，以及家人的支持。 這兩年中，郭艷光老師不厭其煩的從最基礎(chǔ)的半導(dǎo)體原理教起，使我對(duì)于半導(dǎo)體的認(rèn)知更上一層，并且引導(dǎo)我當(dāng)遇到問題時(shí)，如何去解決問題；而在實(shí)驗(yàn)技術(shù)上，也按步就班的細(xì) 心指導(dǎo)，使得我能如期完成論文，令我由衷的感謝。另外謝謝實(shí)驗(yàn)室的伙伴志原、郁妮、旭晴和雅蓮等同學(xué)在實(shí)驗(yàn)上與生活上帶給我諸多的協(xié)助和樂趣。對(duì)于我的家人，我要感謝他們無時(shí)無刻給予我支持與鼓勵(lì)，讓我能順利完成碩士學(xué)位。 在此，我要特別感謝國(guó)立中央大學(xué)電機(jī)工程系的綦振瀛教授，提供論文所使用的 化銦鎵晶片。此外，感謝本系的林踐老師提供 擬軟體幫助我完成論文，并且擔(dān)任我的論文口試委員，也感謝黃滿芳博士撥冗遠(yuǎn)道而來，擔(dān)任我的論文口試委員兼 論文考試委員會(huì)主席 。 v 目 錄 目錄 . v 中文摘要 英文摘要 圖表索引 x 第一章 緒論 . 1 第二章 氮化鎵材料與光學(xué)特性簡(jiǎn)介 5 板 . 5 晶法 . 8 化鎵材料與光學(xué)特性的簡(jiǎn)介 . 11 第三章 光激螢光法量測(cè) 14 激螢光法原理 15 驗(yàn)儀器的簡(jiǎn)介 15 一量子井結(jié)構(gòu)介紹 . 21 驗(yàn)結(jié)果與討論 . 22 第四章 件模擬 35 驗(yàn)數(shù)據(jù)與 模擬結(jié)果 的比較分析 37 一量子井雷射 43 第五章 結(jié)論 . 50 參考文獻(xiàn) 51 文摘要 本論文主要在研究量子井結(jié)構(gòu)的氮化銦鎵藍(lán)光材料的光學(xué)特性與溫度以及激發(fā)功率之間的關(guān)系，并且利用半導(dǎo)體模擬程式做比對(duì)分析。研究 結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)與理論之間有很好的一致性。 在實(shí)驗(yàn)方面，我利用光激螢光法 ， 研究以有機(jī)金屬化學(xué)氣相磊晶法成長(zhǎng)在 過詳細(xì)的分析之后，我們發(fā)現(xiàn)此一 片 在低溫時(shí)的發(fā)光機(jī)制為 輻射結(jié)合所主宰，而在高溫時(shí)非輻射結(jié)合的影響是不可忽略的。 在數(shù)值模擬與分析方面，我使用購(gòu)自 司的擬軟體來分析元件的各項(xiàng)光學(xué)與電子特性。首先，我找出適當(dāng)?shù)?模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)之間能取得良好的一致性。接下來，我以 擬 一量子井雷射的光學(xué)與電子特性，并探討雷射性能與溫度之間的關(guān)系。 此外，我也探討 件的臨界電流與溫度之間的關(guān)系， 此一分析結(jié)果可以作為將來成長(zhǎng) 子井雷射的參考 。 n I of a In a is as an to of is a is to of aN is on a by In at is is is an at On is to of of I of an ix to is to to of as of is of be as a of x 圖表索引 晶格常數(shù)與能帶間隙關(guān)系圖。 . 3 構(gòu)示意圖。 . 8 雙流 統(tǒng)的示意圖。 . 10 學(xué)量測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖。 . 16 移臺(tái)構(gòu)造圖。 . . 17 單色分光儀及反射式光柵 示意 圖 。 . 18 . . 18 一量子井結(jié)構(gòu) 。 . 21 均勻性分析測(cè)量點(diǎn)分布圖。 . 23 (a)發(fā)光波長(zhǎng)與位置關(guān)系圖 (b)半波寬與位置關(guān)系圖。 . 23 室溫的 (a)(0b)(2. 25 測(cè)量點(diǎn) A、 B 和 C 點(diǎn)之中 心波長(zhǎng)與溫度變化圖。 26 量點(diǎn) A 、 點(diǎn)之 27 A 點(diǎn)的變溫之發(fā)光頻譜圖。 27 點(diǎn)光子能量與溫度之間的關(guān)系圖。 . 29 點(diǎn)之 溫度之間的關(guān)系。 . . 30 點(diǎn)之 溫度之間的關(guān)系。 . 30 度 19 K、 100 K 及 150 K 時(shí)，測(cè)量點(diǎn) A 點(diǎn) 激發(fā)功率之間的關(guān)系圖。 . 32 量點(diǎn) L . 34 一量子井增益檔設(shè)定結(jié)構(gòu)。 . 37 物質(zhì)增益頻譜圖。載子濃度設(shè)定在 025025 畫出六條線，分別為 025、 025、 025、025、 025、 025 . 39 自發(fā)輻射頻譜圖，載子濃度設(shè)定在 025025 畫出六條線， 025、 025、 025、 025及 025 . 39 中心波長(zhǎng)隨溫度變化關(guān)系圖， 擬和實(shí)驗(yàn)值 A 比對(duì)， b= 子井寬 =. 41 總自發(fā)輻射速率和 溫度 的關(guān)系圖。 . 41 一量子井雷射。 . 43 一量子井雷射能帶結(jié)構(gòu)圖。 44 摻雜濃度分布圖 (a)施體濃度 (b)受體濃度。 . 45 電子電洞的濃度分布。 . 45 射輸出功率與電流關(guān)系圖。 . 46 一量子井雷射的遠(yuǎn)埸分布圖。 . 47 射輸出功率與電流的關(guān)系圖 ( . 48 00K、 250K、 300K 及 350K 時(shí)，雷射輸出功率與電流的關(guān)系圖。 . 49 界電流 (溫度之間的關(guān)系圖。 . 6晶格常數(shù)溫度膨脹系數(shù)和能階圖。 7 表 個(gè)基板的特性比較。 . 7 1 第一章 緒 論 紅黃光的發(fā)光二極體（ 稱 雷射二極體 (稱 經(jīng)發(fā)展多年，并且已經(jīng)商業(yè)化了。然而氮化銦鎵藍(lán)綠光材料發(fā)展緩慢，直到 1991 年成功的成長(zhǎng)出 P 型材料后 1，才引起全世界的研究團(tuán)體注意。 化物可發(fā)出紫外線到 紅光 范圍的發(fā)光頻譜，配合高亮度的 化物紅黃光二極體，使得二極體的應(yīng)用范圍 增加，實(shí)現(xiàn)了全彩的螢光幕、戶外看板及白光燈泡等應(yīng)用。另外，交通號(hào)志的燈泡可換成紅光、黃光和綠光 為 壽命期長(zhǎng)、不易損害、耗電量低、和發(fā)光效率高，所以可以節(jié)省大量的人力、維修費(fèi)、和電費(fèi)。 在光學(xué)記錄的應(yīng)用上，由于 1996 年 10 月 表在室溫（ 20）可以連續(xù)操作（ 氮化銦鎵 藍(lán)光雷射，使得 光學(xué)記錄在容量上有了很大的發(fā)揮空間。目前的數(shù)位多功能光碟 (統(tǒng)中所使用的光學(xué)讀取頭的材料為磷化鋁鎵銦 (所使用發(fā)光的波長(zhǎng)為 紅光，而我們由光學(xué)原理得知入射光波長(zhǎng)愈短，經(jīng)透鏡聚焦后可得到的光點(diǎn)愈細(xì) 2，因此，使用藍(lán)光半導(dǎo)體材料來代替紅光半導(dǎo)體材料，可以使得 碟片單位面積上所能記錄的容量增加。 2 制作藍(lán)光發(fā)光二極體的材料是采用寬能隙的物質(zhì)，主要有三類：碳化硅 ( 硒化鋅 ( 氮化鎵 (列化合物等材料。這三類物質(zhì)的能階和晶格常數(shù)如 示。 的碳化硅 (于具有良好的熱傳導(dǎo)性，而且 雜方便容易形成歐姆接觸，加上操作穩(wěn)定，因此是最早用于 商業(yè)化的藍(lán)光半導(dǎo)體材料。然而其能帶屬于間接能隙型，發(fā)光效率低，而且不易制成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，使碳化硅的發(fā)展受到限制。 的硒化鋅 (直接能隙型的光電半導(dǎo)體材料，在室溫時(shí)能帶間隙為 ，發(fā)光的顏色為藍(lán)光，而且具有晶格匹配度良好的砷化鎵基板，但是發(fā)光性能比碳化硅及氮化鎵發(fā)光二極體差，另外，它有嚴(yán)重的載子自補(bǔ)償 (問題 4，因此元件發(fā)光效率差、缺陷多、生命期相當(dāng)短。 電半導(dǎo)體元件的長(zhǎng)晶溫度 (約 1050 )比 的半導(dǎo)體元件 (400 )高很多，而且經(jīng)過退火處理后原子排列緊密，使它的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定而且較為堅(jiān)硬，形成元件后不易損壞并且具有高融點(diǎn)的特性。另一方面，氮化鎵的制程與硅技術(shù)相容，易于形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，而且其能帶結(jié)構(gòu)為直接能隙型，因此被視為最適合發(fā)展藍(lán)光元件的光電半導(dǎo)體材料。雖然氮化鎵元件沒有晶格匹配的基板，而且 雜不容易 1，但是這些問題已經(jīng)被一一克服，因此，氮化鎵光電半導(dǎo)體材料已經(jīng)凌駕碳化硅與硒化鋅，成為藍(lán)綠光與紫外線最重要的半導(dǎo)體材料。 3 氮化鎵是氮化鋁鎵銦 ( 元化合物的簡(jiǎn)稱，它是由二元化合物氮化鋁 (氮化銦 (與氮化鎵 (合所形成的。另外，從 知氮化鋁、氮化銦、與氮化鎵的能帶都是屬于直接能隙型，所以氮化鋁鎵銦的能帶也是屬于直接能隙型，因此可以預(yù)期氮化鋁鎵銦的發(fā)光效率應(yīng)該很高，可以應(yīng)用在 。又因?yàn)榈X的能帶間隙為 6.2 化銦的能帶間隙為 化鎵的能帶間隙為 3.4 此氮化鋁鎵銦可利用調(diào)整不同的成份比例，使得能帶間隙從 化到6.2 個(gè)發(fā)光范 圍涵 蓋紅光、黃光、綠光、 藍(lán)光和紫外光，對(duì)于制作可見光 言是很好的光電半導(dǎo)體材料。 由于上述 氮化物系列的種種好處，氮化物在光電半導(dǎo)晶格常數(shù)與能帶間隙關(guān)系圖。 . 4 體材料是相當(dāng)具有前景的，因此值得我們研究其物理性質(zhì)，并且應(yīng)用到日常生活中。而本篇論文研究方向只是針對(duì)氮化銦鎵(光學(xué)特性，沒有加入有關(guān) 成份，所以發(fā)光范圍僅限于 3.4 所采用的研究方法是光激螢光法(稱 從 光譜圖中可以得到發(fā)光強(qiáng)度、中心波長(zhǎng)、和頻寬，進(jìn)而推得元件的發(fā)光特性和是否有深層能階存在。此 外，我也同時(shí)利用購(gòu)自 司的半導(dǎo)體模擬程式 執(zhí)行模擬與比對(duì)分析。經(jīng)由理論的模擬預(yù)估，可以事先得知元件的特性與效能，以節(jié)省長(zhǎng)晶和制程的支出。 5 第二章 氮化鎵材料與光學(xué)特性簡(jiǎn)介 由于氮化銦鎵具有很寬的直接能隙范圍 (1.9 .4 強(qiáng)勁的化學(xué)結(jié)合鍵 (高硬度 )、與良好的熱傳導(dǎo)性 (散熱佳 )等特性，長(zhǎng)久以來便是光電材料中最具潛力的一個(gè)系統(tǒng)。據(jù)一般預(yù)測(cè)，這類半導(dǎo)體將是在藍(lán)綠光波長(zhǎng)操作下極具潛力的光電元件材料。我們?cè)谘芯康熸夁^程中，必須對(duì)于氮化物磊晶的結(jié)構(gòu)及其磊晶的方法加 以了解，因?yàn)槌砷L(zhǎng)過程和元件的結(jié)構(gòu)成份影響了元件的品質(zhì)和發(fā)光特性。因此，我在這一章節(jié)中針對(duì)氮化物的基板、磊晶法、和材料本身的性質(zhì)做一概略說明。 板 氮化物和以往的半導(dǎo)體元件不同，并沒有晶格常數(shù)相匹配的基板 (基板的晶格常數(shù)匹配程度決定元件的缺陷多寡，進(jìn)而影響元件的發(fā)光效率和壽命。所以半導(dǎo)體元件在磊晶時(shí)，第一步是基板的選擇。氮化銦鎵是利用氮化鎵與氮化銦所長(zhǎng)成的，所以要考慮氮化鎵與氮化銦的晶格常數(shù) (如表 。本來最好的基板應(yīng)該是氮化鎵，但是目前沒有氮化鎵基板，只能用其他材料 替代。而一般常使用的基板材料有碳化硅 (6藍(lán)寶石( 6 碳化硅基板有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，例如它跟氮化鎵的晶格較為匹配，膨脹系數(shù)跟氮化鎵也較為接近，而且可以摻雜其他物質(zhì)使碳化硅導(dǎo)電，因此可以簡(jiǎn)化整體結(jié)構(gòu)。另外，碳化硅基板可以直接斷裂形成共振面，制程較簡(jiǎn)單。但是，碳化硅的價(jià)格較為昂貴，而且其特性波長(zhǎng)為 427 吸收在 427 下的發(fā)光波長(zhǎng)， 因此并沒有被大量的使用。 藍(lán)寶石基板與氮化鎵具有很大的晶格不匹配度 (約 )，而且本身不導(dǎo)電，另外， n 型電極與雷射 共振面的制作往往需要使用干性化學(xué)蝕刻技術(shù)，制程較為復(fù)雜。 但是藍(lán)寶石基板也有不少優(yōu)點(diǎn)，首先，在市面上可以買到大面積、高品質(zhì)的藍(lán)寶石基板，而且價(jià)格便宜、硬度高、可以耐高溫，另一方面，對(duì)于藍(lán)綠光與紫外線而言藍(lán)寶石基板是透明的。目前在藍(lán)寶石上長(zhǎng)晶的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟了，而且可以利用緩沖層技術(shù)減小晶格不匹配的缺陷問題，所以目前藍(lán)寶石基板是最被廣泛使用的基板 (藍(lán)寶石和碳化硅的比較如表 示 )。 7 ) ) ) a=c=) a=c=4.2 ) a=c=) 6a=c=.2 ) a=c=.5 .5 個(gè)基板的特性比較 5 電性 無 有 晶格不整合性 熱傳導(dǎo)率 K 熱膨脹 比 ， 產(chǎn)生壓縮應(yīng)力 比 ， 產(chǎn)生抗拉應(yīng)力 晶元尺寸 直徑 2 吋 直徑 價(jià)值 數(shù)萬日?qǐng)A 1015 日?qǐng)A 制造公司 瓷 美 外一種較佳的基板是 它是從在基板上長(zhǎng) 沖層的方法衍生出來的，目的在于減低由于晶格不匹配所產(chǎn)生的晶格錯(cuò)位延伸到活性層內(nèi)部。而 構(gòu)造圖如 示，其制作的方法是在基板上先長(zhǎng)一層約 2 m 厚度的 沖層，再將厚 0.1 m、寬 6 6晶格常數(shù)、溫度膨脹系數(shù)和能階圖。 (D: I: 1 8 的 。在 06 在兩個(gè) 稱為 )的晶格錯(cuò)位密度為 08 與直接將元件長(zhǎng)在藍(lán)寶石基板上的晶格錯(cuò)位密度 010 相當(dāng)程度的改善 6,7。 以上所說明的三種基板是目前最常用的基板，但是也有其他的物質(zhì)被用來做為基板，例如 、 、 、 0等。不過目前主要的基板仍然是前述三種，因此在此不對(duì)其余種類的基板多做說明。 晶法 在這小節(jié)將簡(jiǎn)單的介紹 前較常用的長(zhǎng)晶法有：有機(jī)金屬氣態(tài)磊晶法 (稱 和氣態(tài)分子束磊晶法 (稱 種。 構(gòu)示意圖。 9 反應(yīng)物在基板上相遇時(shí)會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而形成薄膜，其中主 要的反應(yīng)物有三種有機(jī)化合物，分別為三甲基鎵 (稱供鎵原子的來源，三甲基銦 (稱 供銦原子的來源，三甲基鋁 (稱 供鋁原子的來源；另外氨氣 (提供氮原子的來源。 用來做反應(yīng)物的是 而 為提供 源。在磊晶時(shí)，可以利用薄膜干涉的現(xiàn)象來推算出即時(shí)的磊晶的厚度，在 R 以測(cè)量磊晶薄膜的厚度。因?yàn)榍铱梢缘玫狡焚|(zhì)頗佳的元件，所以商業(yè)上的產(chǎn)品制造，主要采用 關(guān)于 應(yīng)爐的設(shè)計(jì)，值得一提的是 書中所提到的雙流 統(tǒng)，其設(shè)計(jì)的概念是利用兩個(gè)不同方向 的氣流夾帶反應(yīng)物到基板上作用，如 示，其中主要?dú)饬鲾y帶反應(yīng)物 2從平行于基板的方向進(jìn)入，另一次要?dú)饬魇菑幕逭戏酱怪边M(jìn)入，組成的氣體有 2，目的在于將反應(yīng)物壓制在基板上，不會(huì)因?yàn)樵诟邷?(1050 )成長(zhǎng)時(shí)所引起的熱對(duì)流的現(xiàn)象，使得反應(yīng)10 不均勻，因此能抑止三維島狀結(jié)晶的形成，進(jìn)而減小晶格錯(cuò)位、增加載子的遷移率 (使得晶體的品質(zhì)變好。 11 相對(duì)于 晶法， 晶法則使用物理的方法，在超高真空 (小于 10，受到加熱的原子或分子在基板上反應(yīng)形成單一層的磊晶層。使用在 的 晶法和傳統(tǒng)的所不同，其不同處在于利用氣態(tài) 的來源，因此被稱為氣態(tài)分子束磊晶法。然而就長(zhǎng)晶溫度而言， 溫度低，而做為氮來源的 低溫下呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)且不易分解，使得成長(zhǎng)薄膜的速度減小，因此造成 展成為 主要長(zhǎng)晶法上的困難。但是 有高真空長(zhǎng)晶環(huán)境可以得到高品質(zhì)的薄膜，同時(shí)也可以探討不同構(gòu)造和塊材的界面特性，目前 要是用來研究半導(dǎo) 體的量子現(xiàn)象 12。 流 統(tǒng)的示意圖。 2 2+1 化鎵材料與光學(xué)特性簡(jiǎn)介 氮化銦鎵是利用氮化銦和氮化鎵所形成的三元化合物，一般表示式為 x 值表示銦的百分比，是由鎵和銦混合的比例來決定的，可在長(zhǎng)晶過程中利用反應(yīng)物的流量來控制。而兩個(gè)物質(zhì)混合之后的能帶間隙和原本物質(zhì)的參數(shù)有關(guān)，所以從相關(guān)文獻(xiàn) 11,13得知 能帶間隙可以表示為： )1( )1()( 1 a NI n 室溫時(shí) 室 溫時(shí) x 值表示氮化銦所占有的百分比，其中 b 值稱為 (2中 x(1是可以理解的，當(dāng)其中一個(gè)物質(zhì)所占的比例較小時(shí)，兩物質(zhì)彼此之交互作用力的高次項(xiàng)是可以忽略的，但是對(duì)于更高濃度比例的混合會(huì)導(dǎo)致高次項(xiàng)的出現(xiàn)，而 混合的常數(shù)，可由實(shí)驗(yàn)量測(cè)來推算。但是，目前對(duì)于 1一書中提到 b 值為 1.0 是有其他的論文提到不等于 1.0 值，如 b=2.6 4、 b=0.6 5， 甚至 S. C. .8 3.2 值 6，同時(shí)也說明因?yàn)槌煞荼壤蜏y(cè)量方法的不同，所具有的 b 值也會(huì)有所差異。 在氮化物系列的材料中，具有一種特殊的效應(yīng)嚴(yán)重影響元件的應(yīng)用。許多氮化鎵晶片的發(fā)光頻譜在 570 2 12 并不是由氮化鎵的 遷所產(chǎn)生的，此一現(xiàn)象稱為于這種現(xiàn)象 已有學(xué)者提出其躍遷模式、產(chǎn)生原因、和改進(jìn)的方法。 遷模式可能為 ,16。后來實(shí)驗(yàn)證明，實(shí)際的躍遷模式應(yīng)該為前者，而產(chǎn)生的原因則是由于 空缺所造成。如果要改善 現(xiàn)象，只需要將長(zhǎng)晶物質(zhì)的流速增加，使得 空位被填滿，另外摻雜 為 化鎵時(shí)也會(huì)有 所改善 17，因?yàn)樵?化鎵中 代替 位置，所以可以消除 成長(zhǎng)高銦含量的氮化銦鎵薄膜是一項(xiàng)高難度的工作，最近已經(jīng)有論文發(fā)表可以成長(zhǎng)高濃度的銦的薄膜，而且濃度高達(dá)80%18,19。另一個(gè)可能影響氮化銦鎵薄膜品質(zhì)的重要因素是 就是 膜中不是均勻分布的，而且不會(huì)因?yàn)槔诰Х椒ǖ牟煌?。造?原因是由于 晶格常數(shù)相差相當(dāng) (11%)18，使得固相融解性 不佳，因此在磊晶過程中造成 島狀分布或是形成 域。 因?yàn)?的材料是良好的壓電材料 20所以如果在磊晶層中有應(yīng)力存在，就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電埸。然而氮化銦和氮化鎵的晶格長(zhǎng)度相差甚大，具有 11%的不匹配度，因此就結(jié)構(gòu)為雙異質(zhì)結(jié)構(gòu) (言，從13 人 14所提出氮化銦鎵的晶格長(zhǎng)度 1 x x 為氮化銦的成份比例， ， ，所具有的應(yīng)力型式為 2，因此在氮化銦鎵和氮化鎵磊晶層的交界處產(chǎn)生大量的應(yīng)力，形成壓電場(chǎng)(在文獻(xiàn) 204中也提到壓電場(chǎng)使能帶構(gòu)造傾斜，產(chǎn)生 進(jìn)而使得有效的能帶間隙變小，因而造成發(fā)光波長(zhǎng)呈現(xiàn)紅位移現(xiàn)象，所以具有應(yīng)力的氮化銦鎵比沒有應(yīng)力的氮化銦鎵存在較大的 位能變形的量則是由 小所決定的。 14 第三章 光激螢光法測(cè)量 光激螢光法是研究發(fā)光二極體與雷射二極體光學(xué)特性的重要方法之一，它是一種簡(jiǎn)單、可靠、快速以及非破壞性的量測(cè)方法，經(jīng)由適當(dāng)光源的照射，半導(dǎo)體元件之價(jià)電帶 (電子將會(huì)被激發(fā)，進(jìn)而躍遷到導(dǎo)電帶 (或其他較高能階，當(dāng)導(dǎo)電帶或較高能階的電子自發(fā)的躍遷回到價(jià)電帶的時(shí)候，會(huì)釋放出光子，而這些光子的波長(zhǎng)就是導(dǎo)電帶或較高能階與價(jià)電帶之間的特性波長(zhǎng)。 經(jīng)由量測(cè)半導(dǎo)體元件輻射光子的強(qiáng)度、頻譜分布以及頻寬，我們可以知道半導(dǎo)體元件的制作品質(zhì)與成份，以及是否有深層能階 (在。透過測(cè)量與分析，我們可以知道晶片品質(zhì)是否良好。另外，改變雷射光照射在晶片上的位置進(jìn)行測(cè)量，若得到的頻譜沒有隨著位置的不同而有顯著變化，則可以推論晶片的成長(zhǎng)是均勻的，反之則否。 15 激螢光法原埋 在自然的狀態(tài)之下，半導(dǎo)體材料內(nèi)部的電子傾向于留在較低能量的價(jià)電帶。經(jīng)由適當(dāng)光源照射，價(jià)電帶內(nèi)的電子會(huì)被激發(fā)，進(jìn)而躍遷到較高能階的導(dǎo)電帶或深層能階，當(dāng)電子躍遷回到價(jià)電帶的時(shí)候，會(huì)釋放出光子，而這些光子的波長(zhǎng)就是這個(gè) 半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電帶與價(jià)電帶間的特性波長(zhǎng)。我利用 氬離子雷射 雷射為入射光源，選取適當(dāng)?shù)睦咨洳ㄩL(zhǎng)，將樣品中的電子由價(jià)電帶激發(fā)到導(dǎo)電帶，這些電子便自然由導(dǎo)電帶跳回價(jià)電帶而放出光子，由于所發(fā)出的光很微弱，因此稱之為螢光。 驗(yàn)儀器的簡(jiǎn)介 學(xué)測(cè)量系統(tǒng)架設(shè)如 示，可以概分為激發(fā)光源、溫控系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、和偵測(cè)器等四大部份。主要的儀器有 氬離子雷射 ( 單色分光儀 (光電倍增管(稱 電耦和器 (稱 鎖定放大器 (小反射鏡、透鏡組、及光纖等。 我們利用氬離子雷射做為激發(fā)光源，氬離子雷射輸出光源有可見光和紫外光兩部份，可見光最強(qiáng)的兩條輸出波長(zhǎng)為綠光 514.5 籃光 488.0 他還有 501.7 496.5 476.5 6 472.7 457.9 波長(zhǎng) 可供使用。 紫外光部份的輸出波長(zhǎng)在333.6 363.8 范圍之間，51.4 363.8 紫外光輸出的共振腔鏡組和可見光適用的鏡組不同，因此在改變輸出紫外線時(shí)，必須將鏡組 (輸出鏡與反射鏡 )更換成紫外光適用的鏡組。 待測(cè)晶片固定于圓形銅片上后，放置在圓柱形真空腔中，晶片溫度利用固定在銅片背后的溫度偵測(cè)器所測(cè)量。而元件的溫度則由溫控系統(tǒng)控制，溫控系統(tǒng)是由閉循環(huán)式氦冷卻系統(tǒng)與電熱器所組成，其溫控范圍為 10K 至 325K。另外，整個(gè)真空腔架設(shè)在學(xué)量測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。 17 一個(gè)可調(diào)整的底座上，其構(gòu)造如 示，底座上具有可以利用電腦操作的 移臺(tái)，提供了做晶 片均勻性分析的能力。 單色分光儀的構(gòu)造如 a)所示，單色分光儀內(nèi)的反射式光柵示意圖如 b)所示 ，由光學(xué)原理 可 知 建設(shè)性干涉條件 為m=( m 為整數(shù)， 為入射光波長(zhǎng)， (光程差。從圖中知入射角 i = 射角 m = d m， d i， d 為兩反垂射面之間隔，所以 m = d (i +m )。當(dāng)入射光經(jīng)過光柵之后，不同的波長(zhǎng)將會(huì)有不同的反 射角，因此達(dá)到分光的效果。 另外，在分光儀中具有三片反射式光柵，規(guī)格分別為中心波長(zhǎng)在 500 00條 /心波長(zhǎng) 500 移臺(tái)構(gòu)造圖。 18 200 條 /及中心波長(zhǎng) 300 200條 /片反射式光柵分別適用于不同的波長(zhǎng)，并且以條紋密度決定其解析度，以條紋密度 1200/光柵而言，其解析度為300/四倍。 單色分光儀及反射式光柵示意圖。 19 簡(jiǎn)稱 偵測(cè)器是由橫方向 1340顆、縱方向 100 顆硅的光 偵測(cè)器所組成，每一硅偵測(cè)器的大小為20 m20 m，而 示 于不同的波長(zhǎng)的圖中得知偵測(cè)器的量子效率隨波長(zhǎng)不同而有所差別，其最佳的偵測(cè)區(qū)域在可見光 550 700 間，具有 80%的量子效率，另外在紫外線部份具有特別鍍膜，因此具有 40%量子效率。而長(zhǎng)波長(zhǎng)的部份，在 950 后的偵測(cè)效果不佳，這是因?yàn)?能帶間隙為 1.1 以 1050 后的波長(zhǎng)完全無法測(cè)量。 使用 量的時(shí)候， 目與曝光時(shí)間必需前后一致，因?yàn)?數(shù)目與曝光的時(shí)間會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)果， 測(cè)量到的訊號(hào)會(huì)越強(qiáng)，所以若要測(cè)量強(qiáng)度與某變數(shù)間的關(guān)系，就必需選用相同的 目與曝光時(shí)間。但是在室溫時(shí) 訊大，因此需用液態(tài)氮來冷卻 降低由系統(tǒng)所造成的熱雜訊。因?yàn)楣鑲蓽y(cè)器只能測(cè)得光的強(qiáng)度，所以波長(zhǎng)偵測(cè)是利用單色分光儀中的光柵分光來決定，當(dāng)入射光經(jīng)光柵分光之后，不同波長(zhǎng)的光線打在 不同的位置，而不同的位置有其相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。 從 看到 在光學(xué)路徑的設(shè)計(jì)上，氬離子雷射的正前方有 一小反射鏡，可將雷射光 90反射后再經(jīng)過一焦距為 10 平凸透鏡打到待測(cè)晶片上，如此經(jīng)由晶片與光學(xué)鏡面反射的雷射20 光可以被反射鏡阻擋，避免雷射光入射到 。而待測(cè)晶片的位置恰好在凸透鏡的焦點(diǎn)上，待測(cè)晶片受雷射光激發(fā)的面積約為4,000 統(tǒng)的收光是利用透鏡將晶片發(fā)出的螢光收集，經(jīng)由另一端透鏡組聚焦進(jìn)入光纖，再傳送到單色分光儀中分光之后由 測(cè)。 21 一量子井 結(jié) 構(gòu)介紹 實(shí)驗(yàn)上的待測(cè)晶片為 量子井結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造如 一晶片是 利用 晶在藍(lán)寶石基板上，為了減低由于基板與 格不匹配所造成缺陷，因此在基板上長(zhǎng)一層厚度約 1.5 m 的 沖層，來減少晶格錯(cuò)位延伸到活性層。再來是摻雜 覆層， 厚度為 10 摻雜濃度為 11018 為 易成長(zhǎng)，所以在這晶片中活性層被夾在兩層 覆層之間，而 活性層成份是 度為 2.5 后一層為 保護(hù)層。 一量子井結(jié)構(gòu)。 i i 15 1.5 m 10 n11018 2.5 10 n11018 2 驗(yàn)結(jié)果 與討論 在實(shí)驗(yàn)過程中，所使用的雷射輸出波長(zhǎng)為 51.4 雷射的操作電流為 培，輸出功率為 80 場(chǎng)設(shè)定為高磁埸。因?yàn)?發(fā)光波長(zhǎng)大約在 455 右，所以單色分光儀的光柵是選擇適用于中心波長(zhǎng)在 500 條紋密度為300 條 /光柵，因此一次可讀取的頻譜范圍為 120 測(cè)器的數(shù)目是使用 134010 個(gè)，積分時(shí)間為 100 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)準(zhǔn)許我們做均勻性的分析，因此在室溫和最低溫時(shí)，從晶片上取 9 點(diǎn)不同的位置來做比較，藉以觀察晶 片的均勻度，測(cè)量點(diǎn)在晶片上分布的位置如 示。 a)中橫軸為X 的位置，可以和 比較，從圖中看出不同的位置具有不同的發(fā)光波長(zhǎng)，但是在相同的 X 軸具有相近的波長(zhǎng)，因?yàn)榘l(fā)光波長(zhǎng)是和 成份比例有關(guān)，因此可以推知在相同的 X 軸上具有相似的 例，但是同一 Y 切面所得之發(fā)光波長(zhǎng)有所差異，可見在Y 軸上 變化量較大，這又可以從半波寬 (稱 到相同的驗(yàn)證， 3.7(b)是各點(diǎn)的半波寬大小。 23 44 044 545 045 546 00 1 2 3 4 5Y = 0 m 2 m 4 m - po s i t i o n ( m m )152025300 1 2 3 4 5Y = 0 m 2 m 4 m - po s i t i o n ( m m )勻性分析測(cè)量點(diǎn)分布圖。 a)發(fā)光波長(zhǎng)與位置關(guān)系圖 (b)半波寬與位置關(guān)系圖。 (注：溫度 =300 K) 24