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利用同步輻射光源研究極性與非極性氧化鋅薄膜之生長與物理特性

為了解決ig gif製作的問題，作者林碧軒 這樣論述：

本論文係研究極性與非極性氧化鋅磊晶薄膜之成長、結構與其它物理性質及其間之關聯性。本論文分成兩個部分，第一部份，主要探討利用磁控濺鍍方法成長於藍寶石基板之高品質非極性氧化鋅(ZnO)與氧化鎂鋅(MgZnO)磊晶薄膜的成長與特性。第二部分，研究利用雷射濺鍍方法成長於矽基板之極化氧化鋅磊晶薄膜之成長與特性。 非極性高品質氧化鋅薄膜的製作是近幾年氧化鋅光電元件研發的重點項目，主要目的是克服傳統極性(c面向)氧化鋅在多重量子井結構會出現之量子侷限史托克效應(Quantum Confined Stark Effect,QCSE)。量子侷限史托克效應會使量子井能帶產生歪斜，使得電子、電洞的複

合機率降低，不僅讓發光效率減弱且會使發光波長紅移。非極性氧化鋅之所以可以克服量子侷限史托克效應,是因為其極性軸-c軸平躺在成長平面上，其內建電場垂直於多重量子井的介面，因此對量子井的能帶結構不具影響力。在本研究裡，我們使用磁控濺鍍系統成功的於m面向藍寶石基板上長出高品質m面向氧化鋅磊晶薄膜，並藉由一數奈米厚低溫成長的氧化鋅作為緩衝層，有效地消除了其他非m面向的氧化鋅晶域。 a面向的氧化鋅都是另一非極性氧化鋅，可以藉由成長於r面向的藍寶石基板而獲得。我們於是利用r面向和m面向的藍寶石基板來製作a面向和m面向的非極性氧化鋅，藉由XRD、TEM、原子力顯微鏡(AFM)和低溫極化光致螢光光譜(LT P

olarized-PL)去探討和比較其結構品質、缺陷密度、表面形貌和光學特性。 氧化鋅多重量子井結構(MQWs)以氧化鋅則為位能井(well)，而氧化鎂鋅則是做為位能屏障(barrier layer)的理想材料，因此在氧化鋅多重量子井結構的研發中高品質氧化鎂鋅的製作是一關鍵的課題。氧化鎂是立方體結構，氧化鋅卻是六角結構；隨著鎂的濃度增加到一定程度，氧化鎂鋅的結構會由六角變為立方體結構或形成相分離，因此具高鎂濃度的六角結構氧化鎂鋅的製作仍是一具挑戰性的課題。在本實驗裡，我們成功的在r面向和m面向的藍寶石基板上成長出r面向和m面向的單一晶相非極性氧化鎂鋅磊晶層。經由X光光電子能譜(XPS)分

析，鎂濃度高達約35%。此外，氧化鎂鋅磊晶薄膜表面的粗糙程度，對於多重量子井結構的功能影響甚鉅；我們成長的氧化鎂鋅的表面粗糙度可小於1奈米，這對多重量子井結構的成長是一大進展。 另一部分，雖然c面向的極性氧化鋅在成長多重量子井時會出現量子侷限史托克效應的問題，但有研究顯示當氧化鋅量子井的厚度大於3奈米時，量子侷限史托克效應才有重要影響，而c面向的極性氧化鋅缺陷密度遠低於非極性氧化鋅；再者，矽基板具有價格便宜、優異品質與面積大等特性，而且可與已建立的矽電子工業技術做整合，所以許多研究團隊致力於成長c面向的極性氧化鋅於矽基板上。在這部份實驗裡，我們使用雷射濺鍍系統，藉由一數奈米厚的Gd2O3

(Ga2O3)緩衝層成功的長出高品質c面向氧化鋅磊晶薄膜於矽(111)基板。在氧化鋅磊晶層裡，經由TEM的對比圖像分析，發現主要的缺陷是貫穿式的刃差排(edge-type dislocation) 和本質基面疊差(intrinsic basal plane stacking faults)；這些氧化鋅磊晶層都承受拉伸應力但卻沒有裂隙(cracks)產生。