硒化鋅是寬能帶的II-VI半導體，在Γ區為直接能帶，在室溫下能隙能量為2.67eV，
相當於可見光譜中藍色光區域(4640A)。

分子束磊晶是一種以超高真空技術成長半導體的方法；成長II-VI族半導體磊晶層
的分子束磊晶系統將在第二章中詳細說明，而第三章將詳細敘述成長前基板的處理
步驟，成長硒化鋅磊晶層的原理與條件限制，並引入一模型以為分析預測成長結果
之用。最後兩章則從XRD與EDS的量測資料分析並比較磊晶層的品質，並用以決定
最佳之成長條件。

Zinc selenide is a wide bandgap II-VI semiconductor. The minimum bandgap at
Γ point (zone center) is direct and has a room temperature value of 2.67eV,
corresponding to the blue region of the visible spectrum (464nm).

Molecular beam epitaxy (MBE) is an ultra high vacuum technique used for the
growth of semiconductors. The molecular beam epitaxy system used for the growth
of semiconductors . The molecular beam epitaxy system used for growth of the
II-VI semiconductor layers is described in detail in Chapter 2. Chapter 3 describes the
substrate preparation procedure and growth of ZnSe epitaxial layers. Last, information
from characterization technique has been used to analysis the quality of the layers and
hence determine referred growth conditions.

中 文 摘 要
英 文 摘 要
附 圖 索 引----------------------------------------------Ⅳ
附 表 索 引----------------------------------------------Ⅷ

第一章 導 論
1-1 研究背景及重要性---------------------------------------- 1
1-1-1發展藍光二極體、雷射之理由：
1-1-2 研究II-VI族材料之理由與發展潛力
1-2 硒化鋅之特性----------------------------------------------3
1-3 以MBE系統成長ZnSe-----------------------------------3
1-3-1 PN摻雜控制
1-3-2 金屬歐姆性( Ohmic )接觸
1-4元件應用與近年來之研究發展情況----------------------5

第二章 實 驗 原 理 與 方 法
2-1 分子束磊晶(MBE)系統之原理---------------------------6
2-2 分子束磊晶(MBE)之系統結構---------------------------7
(1) 超高真空腔 :
(2) 基板載台 (Substrate Holder)
(3) 蒸鍍源瓶 (Effusion Cell)
(4) 氣動遮板 (shutter)
(5) 離子真空計 (Ion gauge)
2-3 MBE成長硒化鋅(ZnSe)薄膜之步驟------------------10
2-3-1 成長前基板處理步驟
2-3-2 蒸鍍源處理
2-3-3 成長硒化鋅(ZnSe)薄膜之步驟
2-4 量測儀器----------------------------------------------------12
2-4-1 RHEED
(Reflection High Energy Electron Diffraction)
2-4-2 多功能掃描式電子顯微鏡(M-SEM)
2-4-3 X光繞射儀 (XRD)
2-4-4 光性分析測試 (PL measurement)
2-4-5 霍爾量測 (Hall measurement)
1. 電阻率 (Resistivity)
2. 霍爾係數 (Hall coefficient)
3. 霍爾移動率 (Hall mobitity)

第三章 以分子束磊晶法成長ZnSe薄膜
3.1 基板與蒸鍍源----------------------------------------------18
3.1.1 基板選擇
a. 晶格不匹配 (lattice mismatch)
b. 熱非匹配 (thermal mismatch)
3.1.2 蒸鍍源的選擇
(A) 以ZnSe化合物為蒸鍍源：
(B) 以Zn及Se單獨元素為蒸鍍源：

3.2 表面狀態對ZnSe/GaAs異質磊晶的影響-----20
(A) 直接於GaAs基板(Bulk)上磊晶
a. 富鎵 ( Ga-rich )
b. 富砷 ( As-rich)
(B) 表面再行磊晶GaAs層(epitaxy)之基板
a. 富砷( As-rich)
b. 富鎵( Ga-rich)
3.3異質接面之應力特性--------------------------------------22
3.4 異質接面之介面層----------------------------------------25
3.5 GaAs表面硒化處理---------------------------------------26
3.6 基板溫度與硒鋅比 (Se/Zn ratio)----------------------28
3.6.1成長理論模型描述
3.6.2 理論驗證與參數計算
3.7 實際實驗結果-----------------------------------------------32
3.8 結 論----------------------------------------------------------33

第四章 結果與討論
4.1在康寧玻璃基板上磊晶成長ZnSe----------------------34
4.1.1 XRD X-ray繞射分析
4.1.2 EDS組成比分析
4.1.3 PL光譜分析
4.2 在GaAs基板上磊晶成長ZnSe-------------------------39
4.2.1 XRD X-ray繞射分析
4.2.2 EDS組成比分析
4.2.3 PL光譜分析

第五章 總 結
5.1 在康寧玻璃基板上成長硒化鋅-------------------------42
5.2 在砷化鎵基板上磊晶成長硒化鋅----------------------42


附 圖 目 錄

圖1-1 光譜中頻率、能量、波長間的關係--------------------------44

圖1-2 GaAs閃鋅礦(Zincblende)晶格結構-----------------------45

圖1-3(a) II-VI族材料間的能隙與晶格常數間之關係圖----------46

圖1-3(b)GaAs與II-VI族材料間能隙與晶格常數間的關係------46

圖1-4 硒化鋅的能帶結構圖-------------------------------------------47

圖1-5 多種II-VI材料與GaAs間的能隙、導帶與價帶
的相對能階位置的相對關係圖---------------------------48

圖1-6 一個II-VI材料利用量子井結構製成的雷射元件
構造圖例------------------------------------------------------48

圖1-7 3M公司的藍/綠光雷射二極體剖面結構圖---------------49

圖 2-1 分子束磊晶系統裝置結構圖---------------------------------50

圖2-2 基板量測溫度校正曲線----------------------------------------51

圖2-3 K-蒸渡源瓶構造-----------------------------------------------52

圖 2-4 系統中蒸鍍源的排列位置------------------------------------52

圖 2-5 RHEED原理示意圖--------------------------------------------53

圖 2-6 GaAs(100)平面垂直示意圖。黑色鍵表示鍵結朝上
，白色鍵表示鍵結朝下----------------------------------------53



圖2-7 表面原子重建過程
(左)在表面(001)平面上，每個原子有兩個斷裂的SP3軌域
(中)形成理想表面，SPz混成軌域與(+Py －Px)橋接軌域
(右)最後形成不對稱聚合重建表面-----------------------------------54

圖2-8 霍爾效應示意圖-------------------------------------------------55

圖3-1 ZnSe磊晶層垂直晶格常數與磊晶厚度的關係------------56

圖3-2 ZnSe磊晶層受應力形變模型---------------------------------56

圖3-3 ZnSe/GaAs接面附近的狀況模型----------------------------57

圖3-4(a) 成長溫度250℃，400℃，500℃時，表面未經
硒化處理之Ga濃度SIMS剖面圖----------------------58
圖3-4(b) 成長溫度250℃，400℃，500℃時，表面未經
硒化處理之As濃度SIMS剖面圖----------------------58
圖3-4(c) 成長前，富Ga表面以Se硒化處理2分鐘；
成長溫度500℃，Ga與As之SIMS剖面圖-----------59

圖3-5 磊晶成長時，晶片表面的原子狀態示意圖-----------------60

圖3-6在Zn/Se流量比大於1時，溫度與
成長衰減率的關係--------------------------------------------61

圖3-7 在Zn/Se流量比小於1時，溫度與
成長衰減率的關係--------------------------------------------61

圖3-8 當流量比>1時，成長率與溫度的關係---------------------62

圖3-9 當流量比<1時，成長率與溫度的關係--------------------62

圖4-1 理想ZnSe各平面繞射角度與相對強度之關係-----------63



圖4-2 在不同基板溫度下，Zn/Se BPR 相對於
(1000×FWHM÷強度)之關係-----------------------------64

圖4-3在不同的Zn/Se BPR下，基板溫度Tsub與
(1000×FWHM÷強度)間之關係--------------------------65

圖4-4 在不同的Zn/Se BPR下，基板溫度與薄膜組成比
之間的關係-------------------------------------------------------66

圖4-5 在不同的基板溫度下，Zn/Se BPR 與薄膜組成比
之間的關係-------------------------------------------------------67

圖4-6 在固定Zn/Se BPR=1.4251之流量比下，基板溫度
與Zn-Se組成比之間的關係----------------------------------68

圖4-7 BPR＝1.4251、Tsub＝320℃，成長四小時ZnSe，
X-ray繞射圖形---------------------------------------------------69

圖4-8 BPR＝1.4251、Tsub＝350℃，成長四小時ZnSe，
X-ray繞射圖形---------------------------------------------------70

圖4-9 在8K下，Zn/Se BPR＝1.4215、成長2小時，
成長基板溫度300℃與350℃之PL光譜強度-------------71

圖4-10 在8K下，BPR=0.9572，成長2小時，比較在
300℃及350℃不同基板溫度下所測得的PL光譜
圖形----------------------------------------------------------------72

圖4-11 在8K下，BPR=1.4251，成長4小時，基板溫度
為320℃與350℃之PL光譜比較圖-------------------------73

圖4-12 BPR＝2.1163，基板溫度340℃，成長2小時，
在8K時之PL光譜圖---------------------------------------74

圖4-13 BPR＝2.1163，基板溫度350℃，成長2小時
ZnSe ，其X-ray繞射圖形----------------------------------75

圖4-14 在不同基板溫度下，Zn/Se BPR與組成比與之間
的關係---------------------------------------------------------76

圖4-15 在不同的BPR下，基板溫度相對於組成比間
的關係---------------------------------------------------------77

圖4-16 在8K下，固定基板溫度Tsub＝350℃，在不同之
BPR流量變化下，成長2小時，PL光譜的比較-----78

圖4-17 在8K下，BPR=2.1163、基板溫度為300℃與
360℃，成長2小時，PL光譜的變化情形------------79

圖4-18 在8K下，BPR＝3.46、基板溫度340℃，成長
2小時，所得到的PL光譜--------------------------------80


附 表 目 錄

表2 基板溫度與砷化鎵表面重建型態變化關係--------------------------81
表 3-1 異質半導體間的常數與不匹配率----------------------------------82
表3-2 各種半導體材料的參數---------------------------------------------82
表3-3 成長條件和I2/DL 強度比值的相關性-----------------------83
表4-1 實驗參數與測量值----------------------------------------------84

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