本研究是以分子束磊晶方法(MBE) 成長銻化鎵，可作為成長銻化銦鎵化合物半導體薄膜和研製InGaSb/Gasb strained 量子井與超晶格光偵測器結構的基礎。

用MBE 成長技術可成長出較高的品質，同時可準確的控制磊晶層。本實驗室利用分子束磊晶成長銻化鎵是採用高純度的鎵( 7N )和銻( 6N )的蒸鍍源。主要是藉由控制流量比和基板溫度在砷化鎵的基板上成長銻化鎵薄膜，雖然磊晶層與基板有著很大的晶格不匹配，不過只要精確控制基板溫度，V/III比及一些成長機制，即可成長出高品質的磊晶層。

我們以熱力學的觀點來分析銻化鎵薄膜的成長機制，以期能得到更好的薄膜結構。因為表面型態會影響到元件的製成及特性，故首先探討離子真空計控制鎵和銻蒸氣壓所產生的表面型態和成長之間的相關性。

為了成長高品質的銻化鎵晶膜，我們必須小心的控制成長機構，而其主要相關因素為(1) 五族/三族(Ⅴ/Ⅲ)流量比，(2)基板溫度，因此，我們可用不同量測方法如X-ray 繞射，I-V curve和拉曼光譜來觀察不同的成長溫度與不同的五族/三族(Ⅴ/Ⅲ)比所形成之晶膜特性。

從X-ray 繞射知 500 ℃，V/III = 2.5 時是最佳的成長條件。從電流-電壓特性曲線可知500 ℃，V/III = 2.5可形成較佳的p-n二極體。從拉曼光譜可知光支系聲子(LO mode phonon)強度關係到銻化鎵晶膜的性質。我們在 500 ℃，V/III = 2.5 獲得最佳的銻化鎵拉曼光譜。

未來則可用此成長機構為基礎，做為繼續研究量子井元件及量子點雷射元件方面研究之基礎。

This research is related to the molecular beam epitaxy (MBE ) to grow GaSb . The fabrication of GaSb/InGaSb strained quantum well and superlattice structures are used for photodetection .

They are carefully investigated to obtain high quality of GaSb films. The growth mechanisms related to the major factors of (1) Subtrate temperature (2) Beam flux ratio(V/III). The properties of GaSb epilayers are characterized by different methods such as the X-ray diffraction , I-V curve and Raman spectra .

The optimum growth conditions 500℃ of substrate temperature and the V/III flux ratio about 2~3 have been obtained. On the basis of structure, the best growth conditions is identified by the peak intensity and FWHM related to the quality of the GaSb films by the X-ray diffraction. On the basis of electrical property, the best growth conditions is identified by the lowest leakage current for the p-n junction related to the quality of the GaSb films by the I-V curve. On the basis of optical property, the best growth conditions is identified by the LO mode phonon intensity related to the quality of the GaSb films by the Raman spectra.

Based on the GaSb growth studied here, the study will be focused in the quantum well and quantum dot laser devices furtherly by us.

目 錄

圖索引……………………………………………………………i
表索引 …………………………………………………………vi
第一章 導論…………………………………1
1-1關於銻化鎵 (GaSb) 之重要性與特性……………1
1-2關於銻化鎵 (GaSb) 薄膜之成長…………………1
1-2-1 低溫成長銻化鎵………………………………1
1-2-2 常溫成長銻化鎵……………………………1
1-2-3 高溫成長銻化鎵……………………………2

1-3 銻化鎵 (GaSb) 在量子元件方面之應用……2
1-3-1 銻化鎵在量子井元件之應用…………2
1-3-2 銻化鎵在量子點元件之應用…………………2

1-4 關於成長銻化鎵(GaSb)之重要技術…………2
1-4-1 LPE 成長銻化鎵……………………………2
1-4-2 有機金屬氣相沉積成長銻化鎵……………2
1-4-3 有機金屬分子束磊晶(MOMBE)成長銻化鎵………4
1-4-4 分子束磊晶成長銻化鎵………………………5
1-4-5 分子束-原子層磊晶成長銻化鎵………………6

1-5 摘要………………………………………………6
第二章 MBE成長系統與實驗方法……………………7
2-1 MBE成長系統………………………………………7
2-1-1 MBE的優點………………………………………7
2-1-2 MBE成長系統……………………………………7

2-2 MBE成長銻化鎵薄膜…………………………………10
2-2-1蒸鍍源處理……………………………………10
2-2-2 基板處理……………………………………11
2-2-3 成長銻化鎵薄膜之步驟………………………11

2-3量測儀器之基本原理………………………………12

2-3-1 X-ray 基本原理………………………………12
2-3-2 接面二極體 I-V 特性…………………………13
2-3-3 Raman 基本原理………………………………15
第三章 銻化鎵磊晶層成長機制……………………17

3-1 銻化鎵的MBE成長…………………………………17
3-1-1 三、五族化合物成長過程……………………17
3-1-2 Sb4與成長表面的相互影響……………………17

3-2 銻化鎵原子結構與表面狀態的關係………………18

3-3 銻化鎵的熱力學模型與分析…………………………19

3-3-1 熱力學模型……………………………………19
3-3-2 熱力學分析……………………………………21
第四章 結 果 與 討 論 ……………………………24
4-1 銻化鎵之結構分析 …………………………………24
4-2 銻化鎵之電性分析……………………………………25
4-3 銻化鎵之光性分析……………………………………27

第五章 結 論…………………………………………30

參考文獻………………………………………………96


附表目錄

表 2-1 載台內部與基板位置相對溫度關係表…………31

表 3-1 在GaSb熱力學計算中所使用之物質參數………32



附圖目錄

圖 2-1 MBE系統之方塊圖………………………………33

圖 2-2 成長腔及預備腔之結構圖……………………34

圖 2-3 基板之溫度校正方法……………………………35

圖 2-4 基板之溫度校正曲線……………………………36

圖 2-5 蒸鍍源瓶之結構圖………………………………37

圖 2-6 (a) 蒸鍍源瓶之力熱流程
(b) 溫度校正之步驟…………………………38

圖 2-7 石墨(c)蒸鍍源瓶溫度曲線……………………39

圖 2-8 氮化硼(PBN)蒸鍍源瓶溫度曲線………………40

圖 2-9 離子真空計量測蒸氣壓之控制方塊圖…………41

圖 2-10 Unit Cell 的圖形……………………………42

圖2-11 晶格表示法……………………………………43

圖 2-12 X-ray 繞射圖形………………………………44

圖 2-13 (a) 理想接面二極體電流與電壓的特性曲線…45

圖 2-13 (b) 實際接面二極體電流與電壓的特性曲線…46

圖 2-14 Raman microprobe 圖………………………47

圖 3-1 (a) 銻過量原子結構圖………………………48

圖 3-1 (b) 銻過量表面狀態圖…………………………49

圖 3-2 (a) 鎵過量原子結構圖………………………50

圖 3-2 (b) 鎵過量表面狀態圖………………………51

圖 3-3 (a) 理想狀態原子結構圖……………………52

圖 3-3 (b) 理想狀態原子結構圖……………………53

圖 3-4 沈積趨動力和 V/III 的函數關係…………54

圖 3-5 在不同總壓力下， PSb2/Ptot對溫度之關係圖………55

圖 4-1 (a) V/III = 2.5 Tsub = 480℃ 時之X 光繞射圖…56

圖 4-1 (b) V/III = 2.5 Tsub = 500℃ 時之X 光繞射圖…57

圖 4-1 (c) V/III = 2.5 Tsub = 520℃ 時之X 光繞射圖…58

圖 4-1 (d) V/III = 2.5 Tsub = 540℃ 時之X 光繞射圖…59

圖 4-2 當V/III=2.5 PGa=2.0x10-7Torr 時，峰值強度比與基板溫度的關係………………………………………60

圖 4-3 當V/III=2.5 PGa=2.0x10-7Torr 時，磊晶層半高寬/基板半高寬與基板溫度的關係…………………61

圖 4-4 (a) Tsub = 500℃ V/III =1 時之X 光繞射圖……62

圖 4-4 (b) Tsub = 500℃ V/III =2時之X 光繞射圖……63

圖 4-4 (c) Tsub = 500℃ V/III =2.5 時之X 光繞射圖…64

圖 4-4 (d) Tsub = 500℃ V/III =3 時之X 光繞射圖……65

圖 4-4 (e) Tsub = 500℃ V/III =4 時之X 光繞射圖……66

圖 4-5 當Tsub = 500℃ PGa=2.0x10-7Torr 時，峰值強度比與BEP比的關係……………………………………67

圖 4-6 當Tsub=500℃ PGa=2.0x10-7Torr 時，磊晶層半高寬/基板半高寬與BEP比的關係………………………68

圖 4 - 7 (a) 在N+ GaAs的基板下，成長V/III= 2.5 Tsub=480℃的GaSb的薄膜所形成之電流-電壓曲線…69

圖 4 - 7 (b) 在N+ GaAs的基板下，成長V/III= 2.5 Tsub=500℃的GaSb的薄膜所形成之電流-電壓曲線…70

圖 4 - 7 (c) 在N+ GaAs的基板下，成長V/III= 2.5 Tsub=520℃的GaSb的薄膜所形成之電流-電壓曲線…71

圖 4 - 7 (d) 在N+ GaAs的基板下，成長V/III= 2.5 Tsub=540℃的GaSb的薄膜所形成之電流-電壓曲線…72

圖 4 -8 在N+ GaAs的基板下，成長V/III= 2.5 Tsub= 480℃、500℃、520℃、540℃的GaSb的薄膜所形成之電流-電壓曲線比較圖…………………………73

圖 4 - 9 (a) 在N+ GaAs的基板下，成長V/III= 2.5 Tsub=480℃的GaSb的薄膜所形成之順向semi-log電流-電壓曲線……………………………………74
圖 4 - 9 (b) 在N+ GaAs的基板下，成長V/III= 2.5 Tsub=500℃的GaSb的薄膜所形成之順向semi-log電流-電壓曲線………………………………………75

圖 4 - 9 (c) 在N+ GaAs的基板下，成長V/III= 2.5 Tsub=520℃的GaSb的薄膜所形成之順向semi-log電流-電壓曲線……………………………………76

圖 4 - 9 (d) 在N+ GaAs的基板下，成長V/III= 2.5 Tsub=540℃的GaSb的薄膜所形成之順向semi-log電流-電壓曲線……………………………………77

圖 4 - 10 (a) 在N+ GaAs的基板下，成長V/III= 3 Tsub=600℃的GaSb的薄膜所形成之電流-電壓曲線…78

圖 4 - 10 (b) 在N+ GaAs的基板下，成長V/III= 3 Tsub=620℃的GaSb的薄膜所形成之電流-電壓曲線…79

圖 4 -11 在N+ GaAs的基板下，成長V/III= 3 Tsub= 600℃、620℃的GaSb的薄膜所形成之電流-電壓曲線比較圖…………………………………………………80

圖 4 - 12 (a) 在N+ GaAs的基板下，成長V/III= 2.5 Tsub=600℃的GaSb的薄膜所形成之順向semi-log電流-電壓曲線………………………………………81

圖 4 - 12 (b) 在N+ GaAs的基板下，成長V/III= 2.5 Tsub=620℃的GaSb的薄膜所形成之順向semi-log電流-電壓曲線………………………………………82

圖 4- 13 晶格振動………………………………………83

圖 4- 14 (a) 基板溫度500度，V/III=2的拉曼光譜………84

圖 4- 14 (b) 基板溫度500度，V/III=3的拉曼光譜……85
.
圖 4- 14 (c) 基板溫度500度，V/III=4的拉曼光譜……86

圖 4-15 基板溫度500度，V/III=3,4的拉曼光譜比較圖…87

圖 4- 16 (a) 基板溫度520度，V/III=2的拉曼光譜………88

圖 4- 16 (b) 基板溫度520度，V/III=3的拉曼光譜…………89

圖 4- 16 (c) 基板溫度520度，V/III=4的拉曼光譜…………90

圖 4-17 基板溫度500度，V/III=3 和 基板溫度520度，V/III=4的拉曼光譜比較…………………………91

圖 4- 18 (a) V/III=3，基板溫度180度的拉曼光譜…………92

圖 4- 18 (b) V/III=3，基板溫度220度的拉曼光譜…………93

圖 4- 19 (a) V/III=3，基板溫度600度的拉曼光譜…………94

圖 4- 19 (b) V/III=3，基板溫度620度的拉曼光譜…………95

1.G. Motosugi and T. Kagawa , Jpn. J .Appl.Phys.19,2303
(1980)

2.M.B.Z.Morsini,J.L.Herrera-Perez,M.S.S.Loural,A.A.G.
Von Zuben,A.C.F.da Silveira,and N.B.Patel,IEEE J.
Quantum Electron.QE-29,2103(1993)

3.O.Hildebrand, W .Kuebart, K .W.Benz, and, M.H.Pilkuhn
IEEE J.Quantum Electron .QE-17,284(1981);see also O.Hildebrand, W , Kuebart, and M. H. Pilkuhn, Appl.
Phys.Lett.37,801(1980)

4.David C. Lock. Thin Solid Films. 231(1993) 61-73

5.A.Y.Polyakov, M.Stam, and A.G.Milnes.J.Appl.Phys.
72(4),15 August 1992

6.B. R. Bennett, P. M. Thibado, M. E. Twigg, E. R. Glaser, R. Magno, B.V. Shanabrook, and L. J. Whitman J. Vac. Sci. Technol. B 14(3),2195.

7.C. B. Cooper III. R. R.Saxena , and M. J. Ludowise , "The Organometallic VPE Growth of GaSb and Ga(As,Sb) using Triethy Lantimony" , J. Electron Mater.; 11(6)(1982) 1001-1010.

8.A. Hojo and I. Kuru, "Liquid Phase epitaxy of high purity n-GaSb and (In,Ga)Sb and their electron transfer device " , Japan. Jnl. Appl. Phys. Suppl. Vol 43(1974)226-231.

9.H. Miki , K. Segawa, and K. Fujibayashi , " Undoped n-type GaSb grown by Liquid phase Epitaxy ",Japan. Tnl. Appl. Phys.;13(1)(1974)203-204.

10.C. Woelk and K. W. Benz , "Gallium antimonide LPE growth from Ga -Rich and Sb-rich solutions , J.Cryst.Growth.; Vo127(1974)177-182.

11.K.W. Benz , T. Lutz, and O. Hildebrand,"Semi-insulating layers in LPE GaSb and (Al,Ga)Sb: , Inst.Phys. Conf. Ser. No.56(1980) 135-138.

12.F. Lapasso , M. B. Panish , and S. Sumski , " The Liquid -Phase Growth. of Low Net Donor Concentration GaSb for Detector Applications in the 1.3-1.6 um Region " j. Quant.Electron.; 17(2)(1981)273-274.

13.H.M. Manasevit and K.L. Hess,J. Electrochem. Soc. 126, 2031 (1979)

14.A.Hojo and I. Kuru, "Liquid Phase epitaxy of high purity n-GaSb and (In,Ga)Sb and their electron transfer device", Japan. Jnl. Appl.Phys. Suppl. Vol 43(1974)226-231.

15.E. T. R. Chidley and S.K.Haywood, Journal of Crystal Growth.;93(1988)70-78.

16.G.R.Booker,P.C.Klipstein ,M.Lakrimi,S. Lyapin ,Journal of Crystal Growth.;146(1995)495-502﹒

17.Tadaaki Kaneko, Hajime Asahi, Yasushi, Yasutoshi Okuno and Shun-ichi Gonda ,Journal of Crystal Growth. 111(1991)638-642.

18.H. Asahi, T. Kaneko, Y. Itani, K. Asami and S. Gonda , Journal of Crystal Growth 120 (1992) 252-260.

19.Xuefeng Liu , Hajime Asahi, Yasutoshi Okuno,Keishi Inoue and Shun-ichi Gonda , Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 32(1993) pp.L703-L706.

20.X. F. Liu, H. Asahi, Y. Okuno , D. Marx, K. Inoue and S.Gonda ,Journal of Crystal Growth 136(1994)250-225.

21.H.Sakaki,L.L.Chang, R. Ludeke, C. A. Chang ,G. A. Sai-Halasz and L.Esaki ,"(In,Ga)As-Ga(As,Sb) heterojunctions by molecular beam epitaxy", Appl. Phys. Lett. ; 31 (3) (1977) 211- 213﹒

22.C. A. Chang , R. Ludeke ,L. L. Chang, and L. Easki , "Molecular beam epitaxy (MBE) of (In,Ga)As and Ga(As,Sb)",Appl. Phys. Lett.31(1981)759-761﹒

23.J.F.Chen and A.Y.Cho , J. Appl. Phys.,70(1991)277.

24. M. Yano , Y. Suzuki, T. Ishii, Y. Matsushima, and M. Kimata,"Molecular Beam Epitaxy of GaSb and Ga(Sb.As),"Japan.Jnl.Appl.Phys.;17(12)(1978)2091-
2096.

25. H. Gotoh, K.Sasamoto, S.Kuroda ,T.Yamamoto , K. Tamamura, M. Fu Kushima ,and M. Kimata, "S. Doping of MBE-GaSb with H2s GaS" ,Tapan .Jnl. Appl. Phys. 20 (12) (1981) L983-896﹒

26.M.Lee , D. J. Nicholas.K. E. Singer , and B. Hamilton, "A Photoluminescence and Hall-effect study of GaSb growth by molecular beam epitaxy ",T. Appl. Phy. ; 59 (8) (1986) 2895- 2900.

27.T. D. Mclean , T. M. Kerr, D. I. Westwood , and C. E. C. wood , "controlled n-type doping and the band structure of GaSb", Proc, of 6th MBE Workshop , Minneapolis(1985).

28. A. Y. Polyakov , M. Starn , and A. G. Milnes J. Appl. Phys.72(4) , 15 August 1992.