在本論文中我們主要探討長在矽基板上之氮化鎵基底材料的結構和光學性質，並利用變溫PL、常溫拉曼、X-Ray繞射光譜、時間解析光激發螢光光譜(TR-PL)等儀器來進行實驗。
我們可以在無摻雜的氮化鎵結構中觀察並辨認出近能隙邊緣的各種激子躍遷，藉由中性束縛激子的峰值能量偏移可求出氮化鎵薄膜受到一伸張應力，殘留應力值分別為0.671 Gpa與0.57 Gpa和拉曼光譜所推算出的結果相當接近。
根據X-Ray繞射光譜之分析可得知氮化銦鎵/氮化鎵多重量子井樣品D、E、F的厚度分別為43.83 nm、65 nm 、68.27 nm，三種樣品在低溫PL光譜中皆有多重發光峰值的出現，另外載子複合的生命週期也已量測得到。

In this thesis, we study the structural and optical properties of GaN-based material structures grown on silicon substrates by temperature-dependent Photoluminescence (PL)、Raman、XRD and
time-resolved PL measurements.
In non-intentionally doped GaN structure, various excitonic transitions near band edge are observed and identified. We estimate the stress of the GaN samples to be 0.671 Gpa and 0.57 Gpa by using the energy shift of neutral-donor-bound exciton transitions. This is consistent with our Raman
measurements.
According to the XRD patterns, the length of InGaN/GaN multiple quantum wells in samples D、E、F are 43.83 nm、65 nm and 68.27 nm. In these samples, multiple PL peaks at low temperatures are observed. Carrier
recombination lifetime have been measured as well.

目 錄
致謝…………………………………………………………………………Ⅰ
摘要…………………………………………………………………………Ⅱ
Abstract……………………………………………………………………Ⅲ
目錄…………………………………………………………………………Ⅳ
表目錄………………………………………………………………………Ⅶ
圖目錄………………………………………………………………………Ⅷ

第一章 導論 ……………………………………………………………1
1.1 前言……………………………………………………………………1
1.2 氮化物半導體與白光二極體之應用介紹……………………………4
1.3 研究動機………………………………………………………………6
第二章 氮化物半導體之光學特性……………………………………8
2.1 氮化物半導體材料之基本性質………………………………………9
2.1.1 氮化物半導體之晶體結構…………………………………………9
2.1.2 氮化物半導體之能帶結構 ………………………………………13
2.1.3 異質結構之應變與應力 …………………………………………14
2.1.4 能隙位移與壓電效應 ……………………………………………15
2.2 氮化物半導體發光機制之理論介紹 ………………………………18
2.2.1 半導體的吸收、輻射理論 ………………………………………19
2.2.2 氮化物半導體裡常見的光學躍遷 ………………………………21
2.3 量子侷限史塔克效應 ……………………………………………… 28
2.4 半導體能隙對溫度變化及活化能……………………………………30
第三章 實驗儀器裝置與原理介紹…………………………………32
3.1 高解析度X-Ray (HRXRD)繞射之光譜原理………………………32
3.1.1 X-Ray繞射之基本理論……………………………………………32
3.1.2 布拉格定律…………………………………………………………33
3.1.3 計算多重量子井結構的週期長度…………………………………34
3.1.4 計算氮化銦鎵層內的銦含量………………………………………35
3.1.5 估計多重量子井之氮化銦鎵層內的銦含量………………………37
3.1.6 X-ray繞射量測裝置………………………………………………37
3.2 拉曼光譜原理與量測…………………………………………………39
3.3 光激發螢光光譜之原理介紹…………………………………………45
第四章 實驗結果分析與討論…………………………………………48
4.1 樣品結構介紹…………………………………………………………48
4.2 樣品之PL光譜分析…………………………………………………53
4.2.1 在矽基板上成長氮化鎵薄膜之樣品B和C…………………………53
4.2.2 在矽基板上成長氮化銦鎵薄膜/氮化鎵多重量子井樣品DEF…60
4.3 樣品之拉曼光譜分析…………………………………………………71
4.4 樣品D、E、F之TR-PL光譜分析………………………………………77
第五章 結論………………………………………………………………84
第六章 參考文獻 ………………………………………………………86















表 目 錄
表1.1 白光發光二極體之發光效率與壽命比較圖………………………3
表2.1 氮化鋁、氮化鎵、氮化銦之晶格常數………………………………11
表2.2 在低溫5 K和室溫300 K的能隙值表……………………………13
表3.1 氮化鋁、氮化鎵、氮化銦之晶格常數表……………………………36
表3.2 烏采結構氮化物半導體的拉曼選擇模式表………………………43
表4.1 各樣品之聲子頻率與應力比較表…………………………………76











圖 目 錄
圖1.1 白光LED效率預測分析圖…………………………………………3
圖2.1 六角最密堆積結構示意圖…………………………………………10
圖2.2 烏采結構圖…………………………………………………………12
圖2.3 烏采結構的堆疊排列側視圖………………………………………12
圖2.4 烏采結構的氮化鎵能帶結構圖……………………………………14
圖2.5 直接能隙(a)與間接能隙(b)之能帶示意圖 ………………………19
圖2.6 烏采結構的直接能隙半導體氮化鎵之自由激子躍遷示意圖 ……23
圖2.7 束縛激子形成示意圖………………………………………………24
圖2.8 施子受子復合躍遷發光示意圖……………………………………26
圖2.9 (a)無外加電場的能帶圖與波函數分布(b)受外加電場的能帶圖與
波函數分布………………………………………………………29
圖3.1 布拉格繞射示意圖…………………………………………………34
圖3.2 X光繞射儀之裝置圖………………………………………………38
圖3.3 拉曼散射之史托克和反史托克訊號圖……………………………39
圖3.4 烏采結構中的光學聲子模式圖……………………………………41
圖3.5 烏采結構與閃鋅礦結構之聲子分佈圖……………………………42
圖3.6 拉曼光譜儀量測系統裝置示意圖…………………………………44
圖3.7 PL光譜之載子在不同復合機制下示意圖………………………46
圖3.8 PL儀器裝置圖……………………………………………………46
圖4.1 樣品B之磊晶結構詳圖……………………………………………50
圖4.2 樣品C之磊晶結構詳圖……………………………………………50
圖4.3 樣品D之磊晶結構詳圖……………………………………………51
圖4.4 樣品E之磊晶結構詳圖……………………………………………51
圖4.5 樣品F之磊晶結構詳圖……………………………………………52
圖4.6 樣品B之低溫(10 K)PL光譜放大圖………………………………54
圖4.7 樣品B之低溫(10 K)PL光譜圖……………………………………55
圖4.8 樣品B之變溫PL光譜圖…………………………………………… 56
圖4.9 樣品B之變溫PL峰值利用Varshini經驗方程式擬合圖……… 57
圖4.10 樣品C之低溫(10 K)PL光譜圖…………………………………59
圖4.11 樣品C之變溫PL光譜圖…………………………………………59
圖4.12 樣品C之變溫PL峰值利用Varshini經驗方程式擬合圖………60
圖4.13 樣品D之變溫PL光譜圖…………………………………………62
圖4.14 樣品D在10 K下PL光譜高斯曲線擬合圖…………………… 62
圖4.15 樣品D發光峰值的Arrhenius plot，虛線部分為擬合結果，活化
能標示於線之下方………………………………………………63
圖4.16 樣品D發光峰值與特定溫度之PL光譜圖………………………63
圖4.17 樣品D之X-Ray繞射圖……………………………………………64
圖4.18 樣品E之變溫PL光譜圖…………………………………………66
圖4.19 高銦濃度之氮化銦鎵/氮化鎵多重量子井的銦簇模型圖……66
圖4.20 樣品E發光峰值與特定溫度之PL光譜圖………………………67
圖4.21 樣品E之X-Ray繞射圖……………………………………………67
圖4.22 樣品F之變溫PL光譜圖…………………………………………69
圖4.23 樣品F發光峰值與特定溫度之PL光譜圖………………………69
圖4.24 樣品F之X-Ray繞射圖……………………………………………70
圖4.25 矽基板在室溫(300 K)之拉曼光譜圖……………………………73
圖4.26 樣品B之室溫(300 K)拉曼光譜圖………………………………73
圖4.27 樣品C之室溫(300 K)拉曼光譜圖………………………………74
圖4.28 樣品D之室溫(300 K)拉曼光譜圖………………………………74
圖4.29 樣品E之室溫(300 K)拉曼光譜圖………………………………75
圖4.30 樣品F之室溫(300 K)拉曼光譜圖………………………………75
圖4.31 樣品D在10 K下之生命週期擬合圖……………………………79
圖4.32 樣品D之生命週期對溫度之關係圖……………………………79
圖4.33 樣品D之TR-PL光譜與PL光譜結合圖…………………………80
圖4.34 樣品E在10 K下之生命週期擬合圖………………………………80
圖4.35 樣品E之生命週期對溫度之關係圖……………………………81
圖4.36 樣品E之TR-PL光譜與PL光譜結合圖…………………………81
圖4.37 樣品F在10 K下之生命週期擬合圖………………………………82
圖4.38 樣品F之生命週期對溫度之關係圖……………………………82
圖4.39 樣品F之TR-PL光譜與PL光譜結合圖…………………………83

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