本研究以反應磁控式濺鍍（sputtering）成長銅摻氧化鋅薄膜，控制不同的工作氣氛與基板溫度尋求最佳鍍膜參數。發現在高於250℃下成長之銅摻氧化鋅薄膜，具有電洞導電的趨勢，且試片經由300℃事後快速熱退火，可有效改善其電阻率與電性的穩定性。退火後的電阻率（8×102 Ω-cm）雖為本實驗中之最低值但仍偏高，推測與內部載子濃度過低有關。
經光激發光譜分析，觀察到高溫（250℃以上）成長之銅摻氧化鋅薄膜發光位置偏移至Cu+離子缺陷附近，表示銅成功的取代鋅原子位置成為受體（acceptor）又低氧流量（2sccm）下之激光光譜並沒有證據顯示Cu取代Zn位置的缺陷出現，因此若要成功將Cu原子摻入ZnO薄膜中必須要在高氧流量下進行。另外穿透光譜換算得到之能隙值偏低，也可以證明Cu在ZnO薄膜內為受體雜質的角色。XPS鍵結能譜分析中，也證實提高銅摻氧化鋅薄膜的濺鍍溫度，可使Cu+有效取代Zn2+形成電洞導電薄膜。

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目錄
摘要 1
目錄 2
圖表目錄 4
第一章 前言 6
第二章 理論基礎與濺散原理 9
2－1 氧化鋅結晶結構與其光電特性介紹 9
2－2 氧化鋅之相圖 11
2－3 氧化鋅薄膜的摻雜 13
2－3－1 P型氧化鋅之摻雜 13
2－3－2 P型氧化鋅之電性量測與不穩定性 14
2－4 氧化鋅薄膜的製作方式 16
2－4－1 電漿輝光放電 16
2－4－2 射頻濺鍍 17
2－4－3 反應性濺鍍 18
2－4－4 有效濺鍍功率 19
2－5 最佳反應氣體流量 19
第三章 實驗設備器材與實驗規劃 22
3－1 真空濺鍍系統 22
3－2 快速熱退火系統（Rapid Thermal Annealing） 24
3－3 使用之分析儀器 24
3－3－1 X光繞射儀 24
3－3－2 吸收光譜儀 25
3－3－3 反射光譜儀 26
3－3－4 四點探針 27
3－3－5 熱探針 29
3－3－6 掃描式電子顯微鏡 29
3－3－7 光子激發光（Photoluminescence） 30
3－3－8 電子探針微區分析儀 31
3－3－9 霍爾量測 31
3－3－10 化學分析電子儀(XPS) 34
3－4 實驗規劃 35
3－4－1 實驗流程 35
3－4－2 實驗用靶材與氣體 36
3－4－3 實驗參數規劃 36
第四章 實驗結果與討論 38
4－1 不同氧流量下之純氧化鋅薄膜 38
4－1－1 製作氧化鋅薄膜之滯後曲線 38
4－1－2 氧流量對薄膜厚度之影響 43
4－1－3 純氧化鋅薄膜表面結構分析 45
4－1－4 純氧化鋅薄膜退火前後光激發光譜比較 50
4－1－5 EPMA測定純氧化鋅薄膜中鋅與氧含量 53
4－2 室溫成長銅摻氧化鋅薄膜 55
4－2－1 室溫成長銅摻氧化鋅薄膜光激發光譜分析 55
4－2－2 室溫成長銅摻氧化鋅薄膜之穿透光譜 57
4－3 250℃以上成長銅摻氧化鋅薄膜 59
4－3－1 250℃以上成長銅摻氧化鋅薄膜之導電性分析 59
4－3－2 250℃以上成長銅摻氧化鋅薄膜之PL分析 63
4－3－3 250℃以上成長銅摻氧化鋅薄膜之XPS分析 65
第五章 結論 71
參考文獻 74

圖表目錄
圖2.1 ZnO，六方晶系黃銅礦結構 10
表2.1 六方晶系黃銅礦氧化鋅之特性 10
圖2.2 Zn－O二元系統相圖 12
圖2.3 （a）反應氣體與系系統總壓力變化之關係圖（b）反應氣體與陰極電壓之滯後曲線。 21
圖3.1 磁控式濺鍍系統示意圖 23
圖3.2 四點探針放大示意圖。 28
表3.1 熱探針經由電壓壓降判斷半導體之電性 29
圖3.3 霍爾效應量測原理示意圖。 33
表4.1 氧化鋅滯後曲線之實驗參數 39
表4.2 氧化銅滯後曲線之實驗參數 39
圖4.1 Zn靶功率為50W，Ar流量為30sccm時系統總壓力對氧氣流量曲線。 40
圖4.2 Zn靶功率為50W，Ar流量為30sccm時，靶材電壓對氧氣流量曲線。 40
圖4.3 Zn靶功率為50W，Ar流量為58sccm時系統總壓力對氧氣流量曲線。 41
圖4.4 Zn靶功率為50W，Ar流量為58sccm時，靶材電壓對氧氣流量。 41
圖4.5 Cu靶功率為100W時，系統總壓力對氧氣流量曲線。 42
圖4.6 Cu靶功率為100W時，靶材電壓對氧氣流量曲線。 42
表4.3 Zn靶50W，氬氣固定30sccm（2.9×10-3 torr），分別在氧流量為2/7/10sccm下成長氧化鋅薄膜。 44
表4.4 Zn靶50W，氬氣固定58sccm（6×10-3 torr），分別在氧流量為1/3.5/10sccm下成長氧化鋅薄膜。 44
圖4.7 純氧化鋅薄膜之SEM正向與剖面圖形。(a)(b)(c)為Ar=30sccm氣氛下，氧流量分別為2/7/10sccm，(a-1)(b-1)(c-1)分別為其剖面圖；(d)(e)(f)為Ar=58sccm氣氛下，氧流量分別為1/3.5/10sccm，(d-1)(e-1)(f-1) 分別為其剖面圖。 48
圖4.8 氧化鋅薄膜分別在Ar＝30sccm(a)與Ar＝58sccm（b）之XRD圖形。 49
圖4.9 氧化鋅薄膜600℃退火前後之PL光譜比較。(a)(b)(c)為Ar=30sccm氣氛下，氧流量分別為2/7/10sccm；(d)(e)(f)為Ar=58sccm氣氛下，氧流量分別為1/3.5/10sccm。 51
圖4.10 氧化鋅薄膜之缺陷能階圖 52
表4.5 EPMA分析氧化鋅薄膜中鋅與氧原子百分比，熱探針電性分析。 54
圖4.11 以EPMA得到不同氧流量下，鋅與氧的原子百分比圖。 54
圖4.12 銅摻氧化鋅薄膜前後之PL比較。(a)(b)(c)為Ar=30sccm氣氛下，氧流量分別為2/7/10sccm。 56
圖4.13 銅摻氧化鋅薄膜之穿透光譜 58
圖4.14 穿透光譜換算之純氧化鋅與銅摻氧化鋅薄膜能隙。 58
表4.6 高溫成長銅摻氧化鋅薄膜之實驗參數。 59
表4.7 250℃銅摻氧化鋅薄膜之退火參數。 62
表4.8 銅摻氧化鋅薄膜之電性比較。 62
圖4.15 室溫量測銅摻氧化鋅薄膜之PL(a)室溫下(b)250℃下(c)300℃退火後(d)350℃下。 64
表4.9 Zn與Cu之XPS鍵結能。 66
圖4.16 Cu 2p3/2之XPS鍵結能圖(a)金屬銅(b)Cu2O薄膜(c)CuO薄膜。 67
圖4.17 銅摻氧化鋅薄膜在CuO 2p3/2之化學鍵結能譜圖。 67
圖4.18 250℃銅摻氧化鋅薄膜之化學鍵結能譜圖。 68
圖4.19 350℃銅摻氧化鋅薄膜之化學鍵結能譜圖。 68

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