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博碩士論文 etd-0706113-183724 詳細資訊
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論文名稱
Title
以化學汽相沉積法生長(0002)氧化鋅薄膜於經氮化處理的(001)鎵酸鋰基板之研究
Growth of (0002)ZnO films on nitridated (001) LiGaO2 substrate by chemical vapor deposition
系所名稱
Department
畢業學年期
Year, semester
語文別
Language
學位類別
Degree
頁數
Number of pages
69
研究生
Author
指導教授
Advisor
召集委員
Convenor
口試委員
Advisory Committee
口試日期
Date of Exam
2013-06-26
繳交日期
Date of Submission
2013-08-12
關鍵字
Keywords
鎵酸鋰、氧化鋅、氮化、化學汽相沉積、磊晶
CVD, nitridation, LGO, epitaxy, ZnO
統計
Statistics
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中文摘要
本論文研究使用化學汽相沉積法 (Chemical Vapor Deposition, CVD),磊晶成長(0002)氧化鋅(Zinc Oxide, ZnO)於氮化處理過的(001)鎵酸鋰(LiGaO2, LGO)基板,以乙醯丙酮鋅 Zinc 2,4-pentanedionate monohydrate [Zn(C5H7O2)2.H2O] 作為鋅的前驅物(Precursor),使用高純度氧氣為反應氣體,氮氣為載流氣體。
研究成長溫度、成長壓力及氣體流量對氧化鋅磊晶薄膜生長的影響。
在實驗進行前,對(001)LGO基板進行氮化處理,在基板上生長一層多孔氮化鎵緩衝層。實驗結果發現成長時間二十小時之表面形貌及半高寬均較優秀,因此選擇氮化時間二十小時之(001)LGO為基板進行磊晶成長(0002)ZnO。
本實驗主要可分為三部分。第一部份以成長溫度為操縱變因,觀察氧化鋅薄膜之變化。第二部份為探討在不同的成長壓力時,氧化鋅薄膜之變化。第三部份為探討在固定總氣體流量下,改變反應氣體氧氣的流量(分壓),氧化鋅薄膜之變化。
當低溫(475℃)時,由SEM觀察得知氧化鋅顆粒形狀不規則,當溫度逐漸升高至575℃,SEM觀察到(0002)氧化鋅晶粒六角形形狀越明顯且方向性越一致,根據計算半高寬可知結晶取向也越集中。但當提高至625℃時,(0002)氧化鋅晶粒覆蓋率降低,半高寬也變寬。
當低壓時 (100-150torr),氧化鋅磊晶表面形貌呈現螺旋狀生長,200torr時,六角形的氧化鋅晶粒覆蓋表面,250torr時,氧化鋅磊晶薄膜產生,但表面仍可發現細小晶粒,300torr時,薄膜更為平整,且細小晶粒形貌消失,350torr時,薄膜表面出現孔洞與小晶粒。由XRD可知,當壓力提升,半高寬降低,代表結晶品質提升、結晶取向較佳,半高寬值在300torr時達到最低(0.13°)。
最後在固定總氣體流量(1000sccm)下,改變反應氣體氧氣的流量,觀察對ZnO磊晶成長的影響,發現氮氧比1:3~3:1時,XRD訊號明顯較強,而半高寬均小於0.2°,SEM影像皆為平坦的連續薄膜形貌,當氧分壓下降或是上升均會使XRD訊號下降、半高寬上升,SEM影像顯示變成顆粒狀分佈,晶界明顯。
進一步針對(0002)氧化鋅磊晶薄膜作分析,藉由TEM的選區電子繞射分析得知晶向關係。XRD繞射峰及拉曼光譜特徵峰的偏移證明磊晶成長時出現的內部應力型態。光致螢光光譜的結果可推論出造成黃綠光帶的主因為缺陷而非摻雜於基板之鈰。
Abstract
In this thesis, the growth of c-plane zinc oxide (ZnO) epitaxial films on nitridated c-LiGaO2 substrates by a homemade thermal chemical vapor deposition. Use Zinc Acetylacetonate was used as zinc precursor. High purity oxygen and nitrogen are used as reaction gas and carrier gas, respectively. We control the quality of films by optimizing the parameters of growth temperature, growth pressure and oxygen partial pressure. The properties of the ZnO films were investigated by x-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), photoluminescence spectra (PL), Raman spectra (Raman) and transmission electron microscopy(TEM).
The results show that the crystal quality and surface morphologyies of c-plane ZnO films are strongly related to the growth temperature, growth pressure and oxygen partial pressure. When growth temperature is 575℃, the ZnO XRD signal is the strongest and hexagonal shapes of the zinc oxide grains are obvious and with direction. The results of changing growth pressure showed that when the pressure is 300torr, the film is the smoothest. The XRD results show that the FWHM decreases with the growth pressure increase. This phenomenon caused improvement of crystal quality, and FWHM values reach a minimum at 0.13°, 300torr.
Finally, in a fixed total oxygen and nitrogen mixed gas flow rate (1000sccm), we changed the flow rate of oxygen reactive gas, The results showed that when the ratio of nitrogen and oxygen were changed from 1:3 to 3:1, the XRD signals are obvious strong and all of the FWHM are less than 0.2 °. The SEM images show flat with continuous film morphologies, while the partial pressure of oxygen are further increase or decrease, the XRD signals drop, and the FWHM values increase, the SEM images show distributed granular, with obvious grain boundary morphologies.
To further analysis of ZnO epitaxial films, the epitaxied orientation relationship was studied by TEM selected area electron diffraction analysis. The shift of XRD diffraction peaks and Raman spectra characteristic peak of E2 demonstrated the occurrence of interned stress during the epitaxial growt. Photoluminescence spectra results can infer the yellow-green emission was caused by defect, not by the cerium doped substrate.
目次 Table of Contents
目錄

摘要 Ⅰ
Abstract Ⅲ
目錄 Ⅴ
圖目錄 Ⅶ
表目錄 Ⅸ
第一章 前言 1
第二章 理論基礎文獻回顧 3
2-1 氧化鋅 3
2-2 氮化鎵 5
2-2-1 多孔氮化鎵 5
2-3 鎵酸鋰 6
2-4 異質磊晶成長 7
2-5 緩衝層 8
2-7 研究動機 10
第三章 實驗內容 11
3-1 實驗流程 11
3-2 實驗裝置 12
3-3 實驗方法與步驟 13
3-4 實驗生長參數 16
3-5 量測設備簡介 18
第四章 實驗結果 21
4-1 鎵酸鋁基板氮化處理 21
4-1-1 X光繞射分析 21
4-1-2 掃描式電子顯微鏡分析 21
4-2 成長溫度對氧化鋅磊晶薄膜的影響 25
4-2-1 X光繞射分析 25
4-2-2 掃描式電子顯微鏡分析 25
4-3 成長壓力對氧化鋅磊晶薄膜的影響 31
4-3-1 X光繞射分析 31
4-3-2 掃描式電子顯微鏡分析 31
4-4 氧氣流量對氧化鋅磊晶薄膜的影響 37
4-4-1 X光繞射分析 37
4-4-2 掃描式電子顯微鏡分析 37
4-5 光致螢光光譜分析 43
4-6 拉曼光譜分析 46
4-7 原子力顯微鏡分析 47
4-8 穿透式電子顯微鏡分析 48
第五章 討論 51
第六章 結論 52
參考文獻 54
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