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論文名稱 Title |
原子層磊晶硫硒化鋅的熱力學分析 Thermodynamic Analysis on ZnSxSe1-x Grown by Atomic Layer Epitaxy |
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系所名稱 Department |
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畢業學年期 Year, semester |
語文別 Language |
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學位類別 Degree |
頁數 Number of pages |
86 |
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研究生 Author |
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指導教授 Advisor |
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召集委員 Convenor |
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口試委員 Advisory Committee |
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口試日期 Date of Exam |
2003-06-24 |
繳交日期 Date of Submission |
2003-07-03 |
關鍵字 Keywords |
硫硒化鋅、原子層磊晶、熱力學 Thermodynamic, ZnSxSe1-x, Atomic Layer Epitaxy |
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統計 Statistics |
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中文摘要 |
原子層磊晶法是一種以交錯方式將反應物源順序通入反應室達成階梯式的成長方法,此成長科技能將成長的薄膜厚度控制在單一原子層的標準內,且薄膜相當均勻。本論文係以原子層磊晶法成長硫硒化鋅薄膜於基板上,並使用DMZn、H2S、H2Se作為反應物源。在此研究中,我們探討改變各種不同的成長條件,包括變化基板溫度、DMZn的流量、H2S的流量、H2Se的流量、清淨反應室殘餘氣體的時間和所供應的脈衝時間等等,以期獲得最佳品質薄膜。在硫硒化鋅成長於基板時,由於原子層磊晶法自我限制的特性,故能在很大的範圍的生長情況下成長出單一原子層的標準。 最後,對於ZnSxSe1-x薄膜成份所作熱力學分析是基於參考Seki等人[6]的研究;因而應用於成長ZnSxSe1-x薄膜上,探討其成長溫度和輸入VI族反應物源的成份比率對於平衡氣體分壓的影響及組成成份及固態-氣態分佈關係對此合金特性的影響。藉由使用Stringfellow [39]的DLP模型計算ZnSxSe1-x薄膜的相互影響參數值;而它將對於成長ZnSxSe1-x薄膜成份的熱力學分析,提供一個很有用的準則。 |
Abstract |
Atomic Layer Epitaxy is a stepwise deposition process by supplying the sources materials alternatively. This deposition technique provides the monolayer control of film thickness and the uniform film growth over a large area. ZnSxSe1-x layers were grown epitaxially onto Si and GaAs substrate by using DMZn and H2S , H2Se gases for the reactant source. Owing to the self-limiting characteristics of ALE process, ZnSxSe1-x monolayers could be deposited over a wide range of temperature within growth window. In this study, for obtaining high crystalline quality ZnSxSe1-x epitaxial films, various growth conditions were investigated including substrate temperature, the flow rate of DMZn, H2S and H2Se, H2 purge duration and pulse duration etc.. A thermodynamic analysis based the calculation of Seki et. al [6], was used to investigate the effects by varying the substrate temperature, input mole ratio of group VI source gases on equilibrium partial pressure, solid composition and solid-vapor distribution relation of this alloy. The interaction parameter of ZnSxSe1-x, Ω, was estimated by using the delta-lattice parameter (DLP) model suggested by Stringfellow [39]. Finally, it shows that the thermodynamic analysis provides a useful guideline for the growth of ZnSxSe1-x alloy on Si and GaAs substrates. |
目次 Table of Contents |
目錄 附表目錄 I 附圖目錄 II 第一章 簡介 1 1-1 ALE的優點 1 1-2 ALE的歷史 3 1-3 ZnSxSe1-x的藍光發光二極體 3 1-4 基板的選擇 3 第二章 ALE成長過程及系統描述 6 2-1 ALE成長過程 6 2-2 ALE成長系統的描述 9 2-2-1 氣體處理系統 9 2-2-2 反應及加熱系統 10 2-2-3 排氣系統 10 2-2-4 保護系統 10 2-3 實驗過程 11 2-3-1 反應物源 11 2-3-2 基板的準備工作 11 2-3-3 成長程序 12 第三章 原子層磊晶法的成長模式及機制 13 3-1 原子層磊晶法的成長模式 13 3-1-1 MBE-like成長模式 13 3-1-2 CVD-like成長模式 14 3-1-3 總結 15 3-2 原子層磊晶法的成長機制 16 3-2-1 基板溫度 16 3-2-2 甲基化鋅的流量 19 3-2-3 硫化氫的流量 20 3-2-4 硒化氫的流量 21 3-2-5 氫氣的流量 21 3-2-6 脈衝時間 23 第四章 熱力學理論模型推導及分析 26 4-1 相互影響參數Ω 26 4-1-1 DLP模型 26 4-1-2 相互影響參數Ω值的運算過程 27 4-1-3 平衡常數 28 4-2 熱力學理論模型 29 4-2-1 ALE法 30 4-3 結果與討論 39 第五章 結論 41 參考文獻 42 附表目錄 表1–1 使用ALE技術成長寬能隙的II-VI族化合物之概述。……….45 表1–2 顯示異質接面的晶格不匹配值。……………………………..46 表1–3 顯示材料的熱膨脹係數。[24]………………………………...46 表3–1 顯示此成長系統沉積ZnSe薄膜的成長條件。[18]………….47 表3–2 顯示此成長系統沉積ZnS及ZnSe薄膜的成長條件。[27]…48 表3–3 顯示此成長系統沉積ZnSxSe1-x薄膜的成長條件。[28]……49 表3–4 顯示此成長系統沉積ZnS薄膜的成長條件。[29]…………...50 表3–5 顯示此成長系統沉積ZnS薄膜的成長條件。[30]…………...50 表3–6 顯示此成長系統沉積ZnSe薄膜的成長條件。[31]………….51 表3–7 顯示此成長系統沉積ZnSxSe1-x薄膜的成長條件。[32]…….51 表4–1 化學反應式。[41]………………………………………..…….52 表4–2 化學反應式所對應平衡常數表示式中的參數值。[41]……...53 表4–3 熱力學參數的參考數據。[42]……………………………...…54 表4–4 顯示II-VI族化合物的化學反應式之自由能。[42]…………...55 表4–5 顯示II-VI族化合物的規則溶液相互影響參數值。[43]……...56 表4–6 顯示此成長系統沉積ZnSxSe1-x薄膜的成長條件。[47]…….57 表4–7 顯示此成長系統沉積ZnSxSe1-x薄膜的成長條件。[6]………58 附圖目錄 圖2–1 顯示成長單一原子層厚度的ZnSe薄膜之化學反應步驟的示意圖。[25]……………………………………………………...59 圖2–2 顯示比較一般的MOCVD系統的成長機制。[25]…………...60 圖2–3 顯示成長(a)ZnS或ZnSe、(b)ZnSxSe1-x以及(c)應力層超晶格薄膜成份的一個週期的脈衝時間之示意圖。[44]...61 圖2–4 顯示原子層磊晶法與一般傳統氣相磊晶法的反應氣體流量與成長速率之間的關係。[36]…………………………………...62 圖2–5 顯示一般情況的成長過程與理想的ALE成長過程中的基板溫度與薄膜厚度之間的關係。[25]……………………………...63 圖2–6 顯示ALE–MOCVD的結構圖。[25]…………………………64 圖2–7 顯示反應的腔體與加熱系統的結構圖。[25]………………...65 圖3–1 顯示此成長系統中的基板溫度與成長速率之間的關係。[18]……………………………………………………………..66 圖3–2 顯示此成長系統中的甲基化鋅的流量與成長速率之間的關係。[18]…………………………………………………………66 圖3–3 顯示此成長系統中的基板溫度與成長速率之間的關係。[18]……………………………………………………………..67 圖3–4 顯示此成長系統中的硒化鋅的脈衝時間與成長速率之間的關係。[18]………………………………………………………...67 圖3–5 顯示此成長系統沉積ZnS及ZnSe薄膜的基板溫度與成長速率之間的關係。[27]………………………………………...…68 圖3–6 顯示此成長系統沉積ZnSxSe1-x薄膜的基板溫度與成長速率之間的關係。[28]……………………………………………...68 圖3–7 顯示此成長系統沉積ZnS薄膜的基板溫度與成長速率之間的關係。[29]……………………………………………………...69 圖3–8 顯示此成長系統沉積ZnS薄膜的基板溫度與成長速率之間的關係。[30]……………………………………………………...69 圖3–9 顯示此成長系統沉積ZnSe薄膜的基板溫度與成長速率之間的關係。[31]…………………………………………………...70 圖3–10 顯示此成長系統沉積ZnSxSe1-x薄膜的基板溫度與成長速率之間的關係。[32]……………………………………………...70 圖3–11 顯示此成長系統中的基板溫度與成長速率之間的關係。[33]……………………………………………………………..71 圖3–12 顯示此成長系統中的甲基化鋅的流量與成長速率之間的關係。[29]………………………………………………………...71 圖3–13 顯示此成長系統中的甲基化鋅的流量與成長速率之間的關係。[30]………………………………………………………...72 圖3–14 顯示此成長系統中的甲基化鋅的流量與成長速率之間的關係。[31]………………………………………………………...72 圖3–15 顯示此成長系統中的硫化氫的流量與成長速率之間的關係。[29]………………………………………………….…………73 圖3–16 顯示此成長系統中的硫化氫的流量與成長速率之間的關係。[30]………………………………………………………….…73 圖3–17 顯示此成長系統中的硫化氫的流量與成長速率之間的關係。[31]…………………………………………………………….74 圖3–18 顯示薄膜厚度與清淨氫氣的流量之間的關係。[35]….....…74 圖3–19 顯示薄膜厚度的剖面圖與氫氣的流量變化之關係。[35]…..75 圖3–20 顯示II-VI族化合物的組成元素之平衡氣體壓力與溫度倒數之間的關係。[36]………………………………………………...75 圖3–21 顯示鋅原子與硒原子覆蓋於基板表面的示意圖。[36]……...76 圖4–1 ZnSxSe1-x薄膜的組成成份x與晶格常數之間的關係。…….77 圖4–2 ZnSxSe1-x薄膜的組成成份x與能隙Eg之間的關係。……….77 圖4–3 顯示在成長壓力P=30 Torr以及H2=1 l/min時,成長溫度T與反應氣體分壓的關係。……………………………………..78 圖4–4 顯示在成長壓力P=30 Torr以及H2=2 l/min時,成長溫度T與反應氣體分壓的關係。……………………………………..78 圖4–5 顯示在成長壓力P=30 Torr以及H2=3 l/min時,成長溫度T與反應氣體分壓的關係。……………………………………..79 圖4–6 顯示在成長壓力P=60 Torr以及H2=1 l/min時,成長溫度T與反應氣體分壓的關係。……………………………………..79 圖4–7 顯示在成長壓力P=60 Torr以及H2=2 l/min時,成長溫度T與反應氣體分壓的關係。……………………………………..80 圖4–8 顯示在成長壓力P=60 Torr以及H2=3 l/min時,成長溫度T與反應氣體分壓的關係。……………………………………..80 圖4–9 顯示在成長壓力P=120 Torr以及H2=1 l/min時,成長溫度T與反應氣體分壓的關係。……………………………………..81 圖4–10 顯示在成長壓力P=120 Torr以及H2=2 l/min時,成長溫度T與反應氣體分壓的關係。……………………………………..81 圖4–11 顯示在成長壓力P=120 Torr以及H2=3 l/min時,成長溫度T與反應氣體分壓的關係。……………………………………..82 圖4–12 顯示在成長壓力P=30 Torr、H2=2 l/min以及Ω=980 cal/mole (查表)時,組成成份x(S)與反應氣體分壓的關係。……….82 圖4–13 顯示在成長壓力P=30 Torr、H2=2 l/min以及Ω=1520 cal/mole (公式)時,組成成份x(S)與反應氣體分壓的關係。……………………………………………………………..83 圖4–14 顯示在成長壓力P=30 Torr、H2=2 l/min以及Ω=980 cal/mole (查表)時,成長溫度T與反應氣體分壓的關係。…………..83 圖4–15 顯示在成長壓力P=30 Torr、H2=2 l/min以及Ω=1520 cal/mole (公式)時,成長溫度T與反應氣體分壓的關係。…84 圖4–16 顯示在成長壓力P=30 Torr、H2=2 l/min以及Ω=980 cal/mole (查表)時,輸入成份比率S /(S+Se)與組成成份x的關係。……………………………………………………………..84 圖4–17 顯示在成長壓力P=30 Torr、H2=2 l/min以及Ω=1520 cal/mole (公式)時,輸入成份比率S /(S+Se)與組成成份x的關係。…………………………………………………...85 圖4–18 顯示在成長壓力P=1 atm以及Ω=980 cal/mole時,組成成份x(S)與反應氣體分壓的關係。…………………………….85 圖4–19 顯示在成長壓力P=1 atm以及Ω=980 cal/mole時,成長溫度T與反應氣體分壓的關係。………………………………..86 圖4–20 顯示在成長壓力P=1 atm以及Ω=980 cal/mole時,輸入成份比率S /(S+Se)與組成成份x的關係。…………………..86 |
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