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姓名	廖上瑩(Shung-Ying Liao)  查詢紙本館藏	畢業系所	照明與顯示科技研究所
論文名稱	反應式直流脈衝磁控濺鍍法製備氮化鎵薄膜 (Fabrication of Gallium Nitride Thin Films By Using the Reactive DC Pulse Magnetron Sputtering)
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摘要(中)	目前生長氮化鎵薄膜以有機金屬化學氣相沉積(Metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)及分子束磊晶(Molecular beam epitaxy, MBE)為主，有高溫以及高成本的問題，本論文將採用低成本且可以大面積製造的直流脈衝磁控濺鍍法取代有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)與分子束磊晶(MBE)生長氮化鎵薄膜。並在製程中施加一偏壓於基板乘載盤處，成功於氮化鋁/藍寶石上成長C軸方位(0002)氮化鎵薄膜。 本研究中施加偏壓於基板承載盤處，利用基板處的正、負電荷因素會分別吸引電子和Ar離子撞擊薄膜的機制對薄膜產生不同的效益。施加正偏壓於基板可以優化薄膜的結晶品質，而施加負偏壓於基板可以使薄膜表面覆蓋的更均勻，使表面粗糙度下降。 經由X-ray繞射(XRD)和Raman光譜的量測可得知晶格結構和鍵結情況。由原子力顯微鏡(AFM)與掃描電子顯微鏡(SEM)的量測可得知表面形貌與表面粗糙情形。 最終成功以直流脈衝磁控濺鍍法製備出C軸方位(0002)的氮化鎵薄膜之表面粗糙度為0.354nm , XRD半高寬為0.241度。
摘要(英)	Currently, gallium nitride thin films were mainly grown by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE), with the disadvantages of high process temperature and high cost. In this research the sputterring method , was applied with low cost and which is low-cost and fabricating in large area.can be made in large area, to replace MOCVD and MBE growing gallium nitride thin films. The c axis(0002) gallium nitride thin films were successfully grown on the sapphire with AlN buffer layer by dc pulse magnetron sputtering with a bias applied on the substrate holder. In this study, the mechanism of the applied bias is the positive and negative bias would attract electrons and Ar+ to bombard the film , respectively. The positive applied bias on the substrate can optimize the crystallization quality of the film. And the negative applied bias on the substrate can improve the uniforming and reduce the surface roughness. The lattice structure and bonding can be determined by X-ray diffraction (XRD) measurement and Raman spectra , respectively. The surface morphology and roughness can be obtained from the measurement of atomic force microscope (AFM) and scanning electron microscope (SEM). Finally , the C axis (0002)gallium nitride thin film was successfully by dc pulse magnetron sputtering , with the root mean square roughness 0.354nm and the FWHM 0.241 degrees.
關鍵字(中)	★ 氮化鎵 ★ 偏壓 ★ 直流濺鍍 ★ 薄膜	關鍵字(英)
論文目次	目錄 摘要 i Abstract ii 誌謝 iii 目錄 iv 表目錄 vii 圖目錄 viii 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 文獻回顧 1 1-3 研究動機與目的 2 第二章 基礎理論 4 2-1 氮化鎵與緩衝層 4 2-2 直流脈衝磁控濺鍍原理與機制 6 2-3 偏壓原理與機制 6 第三章 實驗架構與分析儀器介紹 8 3-1 實驗架構 8 3-1-1 直流脈衝磁控濺鍍機器架設 8 3-1-2 實驗步驟 10 3-2 分析儀器介紹 11 3-2-1 X-ray繞射儀 11 3-2-2 拉曼光譜儀 12 3-2-4 掃描電子顯微鏡 13 3-2-5 原子力顯微鏡 14 第四章 實驗結果 16 4-1調變製程中氮氣氣體流量對氮化鎵薄膜的影響分析 16 4-1-1 X-ray繞射(XRD)分析 16 4-1-2 掃描電子顯微鏡(SEM)分析 18 4-1-3 拉曼光譜(Raman spectra)分析 20 4-1-4 原子力顯微鏡(AFM)分析 22 4-2調變外加偏壓對氮化鎵薄膜的影響分析 24 4-2-1 X-ray繞射(XRD)分析 24 4-2-2 掃描式電子顯微鏡(SEM)分析 27 4-2-3拉曼光譜(Raman spectra)分析 31 4-2-4 原子力顯微鏡(AFM)分析 33 4-3調變工作壓力對氮化鎵薄膜的影響分析 36 4-3-1 X-ray繞射(XRD)分析 37 4-3-2 掃描電子顯微鏡(SEM)分析 39 4-3-3 拉曼光譜(Raman spectra)分析 40 4-3-4 原子力顯微鏡(AFM)分析 41 4-4調變功率對氮化鎵薄膜的影響分析 43 4-4-1 X-ray繞射(XRD)分析 43 4-4-2 掃描電子顯微鏡(SEM)分析 44 4-4-3 拉曼光譜(Raman spectra)分析 46 4-4-4 原子力顯微鏡(AFM)分析 46 第五章 結論與未來研究 49 5-1 結論 49 5-2 未來研究 50 參考文獻 51
參考文獻	參考文獻 [ 1] Isamu Akasaki et al , “ P-Type Conduction in Mg-Doped GaN Treated with Low-Energy Electron Beam Irradiation ”, Japanese Journal of Applied Physics , 28 , L2112-L2114 , 1989. [ 2] R. Juza, and H. Hahn, Z. Anorg, Allgem. Chem. 244, 133, 1940 [ 3] H. P. Maruska, and J. J. Tietjen “ The preparation and properties of vapor deposited single-crystalline GaN ”Appl. Phys. Lett. 15, 327 , 1969 [ 4] S.Strite,M. E. Lin and H. Morkos,Thin Solid Films, 1993 [ 5] T. Lei,T. D. Moustakas,R. J. Graham,Y. He and S. J. Berkowitz, J.Appl. Phys, 1992 [ 6] Zembutsu, S. and Kobayashi, M. ,“ The growth of c-axis-oriented GaN films by D.C.-biased reactive sputtering ”, Thin Solid Films , 129, 289–297, March 1985. [ 7] Shuji Nakamura , The Blue Laser Diode , 1997 [ 8] H. Amano, M. Kito , K. Hiramatsu , and I. Akasaki “ P-Type Conduction in Mg-Doped GaN Treated with Low-Energy Electron Beam Irradiation ” J. Appl. Phys , Part2 28 , L2112 , 1989 [ 9] S. Nakamura “ GaN Growth Using GaN Buffer Layer ” , J. Appl. Phys. , 30 , 1705 , 1991 [10] S. Kobayashi,S. Nonomura,K. Abe,K. Ushikoshi,S. Nitta, “ Optical and electrical properties of nano-crystalline GaN thin films and their application for thin-film transistor ” , Journal of Crystal Growth , 189–190, 749-752 , June 1998 [11] 我國第三代半導體取得突破！第三代半導體是何方神聖？，取自https://kknews.cc/zh-tw/science/kbxjv88.html [12] 陳文光 , 譚平平 , 桂成東 , 姜力銘，「基於 GaN 器件的半橋式固態射頻電源應用研究」，南華大學學報(自然科學版) , 2018 [13] 王國強，「以反應式脈衝直流磁控濺鍍法通入C2H2反應氣體製備AZO薄膜的光電特性之研究」，國立中興大學，碩士論文 [14] 吳哲賢，「偏壓式磁控濺鍍法製作矽異質接面太陽能電池之研究 」，國立中央大學，碩士論文 [15] 周凌毅，「反應式濺鍍過渡態矽薄膜之研究」，國立中央大學，碩士論文 [16] 吳承翰，「成長於氧化鋅緩衝層之自發性 P 型氮化鎵，國立中央大學」，碩士論文 [17] 江博仁，「矽離子佈植於 p 型氮化鎵之特性研究」國立中央大學，碩士論文 [18] Lei, M. Fanciulli , R. J. Molnar, and T. D. Moustakas , Epitaxial growth of zinc blende and wurtzitic gallium nitride thin films on (001) silicon , Applied Physics Letters , 59(8) , 944 - 946 ·, September 1991 [19] S. Strite and H. Morkos,J , “ GaN, AlN, and InN: A review ” , Journal of Vacuum Science & Technology B , 10 , 1237, March 1992 [20] 蔡宜賢，「以偏壓射頻磁控濺鍍法沉積氧化鋅鋁透明導電薄膜」，建國科技大學，碩士論文 [21] Kim, S. T., Lee, Y. J., Chung, S. H., & Moon, D. C. “ Properties of Free-Standing GaN Prepared by I-IVPE Using AIN/Si Substrate”. JOURNAL-KOREAN PHYSICAL SOCIETY, 33 , S313-S315 , 1998 [22] 李柏霆，「矽基板上的氮化鎵磊晶術 : 以氧化鎵為緩衝層」，國立中央大學，碩士論文 [23] 童桂杰，「AlN氮化鋁薄膜」，取自https://slidesplayer.com/slide/11463050/ [24] 吳承翰，「成長於氧化鋅緩衝層之自發性 P 型氮化鎵，國立中央大學」，碩士論文 [25] 陳聖文，「矽鍺薄膜應用於近紅外光石墨烯光偵測器」， 國立中央大學，碩士論文 [26] 蘇韋寧，「以脈衝直流磁控濺鍍法製作含氫非晶矽薄膜於太陽電池之應用」，國立中央大學，碩士論文 [27] 林麗娟，「X光繞射原理及其應用」，工業材料，86，100-109，2000 [28] Raman Spectrometer，取自https://www.rightek.com.tw/product_detail.php?id=186 [29] Raman spectroscopy，取自https://en.wikipedia.org/wiki/Raman_spectroscopy [30] 羅聖，全研發奈米科技的基本工具之一電子顯微鏡介紹，取自http://www.materialsnet.com.tw/ad/adimages/aaaddd/mclm100/download/equipment/em/fe-sem/fe-sem005.pdf [31] 原子力顯微鏡 (Atomic Force Micricopy, AFM)，取自http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=17916 [32] 原子力顯微镜原理（atomic force microscope, AFM），取自http://www.pelttech.com/item_10_221_0.shtml [33] 江鳴謙，「運用脈衝雷射沉積法在(100)與(111)矽基板進行氮化鎵異質磊晶之研究」，國立中興大學，碩士論文 [34] 陳文建，「以中頻反應性磁控濺射法成長[002]優選取向氮化鋁薄膜之研究，南台科技大學」，碩士論文 [35] Pung Keun Song and Kwang Ho Kim1 et al. , “GaN Films Deposited by DC Reactive Magnetron Sputtering”, Japanese Journal of Applied Physics , 43 , Part 2, 2A , January 2004 [36] R. V. Stuart , Vacuum Technology, Thin Films, and Sputtering: An Introduction , 1983 [37] C.A.Arguello , D.L.Rousseau , S.P.S.Porto , “ First-order Raman effect in wurtzite-typecrystals” , Phys. , 181 , 1351 , 1968 [38] L. Filippidis, H. Siegle, A. Hoffmann, C. Thomsen, K. Karch, and F. Bechstedt , “Raman Frequencies and Angular Dispersion of Polar Modes in Aluminum Nitride and Gallium Nitride” , Phys. Status Solidi B , 198 , 621 , 1996 [39] A. R. Gon˜i, et al., “Effect of pressure on optical phonon modes and transverse effective charges in GaN and AlN”, PHYSICAL REVIEW B, 64, p.035205, 2001 [40] 殘餘應力觀念，取自 http://www.cailiaoniu.com/40281.html [41] 余諮宜，「氫氣蝕刻氮化鎵及其後續成長之研究」，國立交通大學，碩士論文 [42] Thornton JA, Hoffman DW. Thin Solid Films , 5 , 171 , 1989 [43] Kumar S, Mo L, Motlan, Tansley TL. Jpn J Appl Phys , 35 , 2261 , 1996. [44] P. K. Song, D. Sato, M. Kon and Y. ,“ Crystallinity and stoichiometry of InNx films deposited by reactive dc magnetron sputtering ”, Shigesato Vacuum ,66, 373,2002 [45] D. G. Zhao, et al., “Stress and its effect on optical properties of GaN epilayers grown on Si(111), 6H-SiC(0001), and c-plane sapphire”, Applied Physics Letters, 83, 677, 2003 [46] Properties of GaN and related compounds studied by means of Raman scattering [47] 葉建東、顧書林等，「掺碳氮化鎵的光學性質」，半導體學報，23，7，2002
指導教授	陳昇暉(Sheng-Hui Chen)	審核日期	2019-8-22
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