在這篇論文中，我們將成長m面氮化銦鎵藍光發光二極體，並探討其光電特性。首先，利用電毇輔助分子束磊晶在m面藍寶石基板上，成長m面氮化鎵薄膜。在成長的過程中，Ⅴ/Ⅲ比與成長溫度是最重要的因素，藉由調變這兩種參數，成長出品質較好的薄膜。
在成長藍光發光二極體中，銦在氮化銦鎵中的含量是相當重要，銦與鎵的比例會影響能隙大小與發光波長，所以在調整成長溫度、Ⅴ/Ⅲ比、銦與鎵的比例，必頇兼顧薄膜品質與發光波長。
薄膜之結構特性是使用X光繞射儀觀測，結果顯示氮化鎵是沿著m面成長(條紋沿a軸方向)。由陰極發光光譜圖，可知氮化銦鎵之發光波長位於藍光波段內。
M面氮化銦鎵藍光發光二極體，以X光繞射光譜儀及電子背向散射繞射分析晶向。藉由透明導電層(transparent con-ductive layer, TCL): 薄金屬式透明導電層，Ni(鎳)�Au(金)雙金屬薄層，此種透明導電層主要是利用金屬的導電性，可以有效地分散電流。經由製程後氮化鎵發光二極體，量測其不同電流下之電致螢光光譜及偏極化之電致螢光光譜，電流電壓特性之關係。

Pure m-plane p-GaN/InGaN/n-GaN on the m-sapphire grown by plasma assisted molecular beam epitaxy (PAMBE) had been achieved. V/III ratio of the first layer m-plane GaN is 20 and growth temperature is 665 °C. Ⅴ/Ⅲ ratio and the growth temperature are the most important factors in the growth sequence. M-InGaN film with better crystal quality was grown successfully by tuning these two factors. We have obtained a narrow window for epitaxial growth of m-plane InGaN/GaN on m-sapphire at 450 °C. The striated surface is along (1120) a-axis direction of m-InGaN epilayer. As the growth temperature is increased further to 550 °C, there is no InGaN signal from x-ray diffraction (XRD). We study the effect of growth condition on the structural properties and morphology of these films using high-resolution x-ray diffractometer (XRD) and scanning electron microscopy (SEM)

摘 要 i
Abstract ii
第一章 序論 1
1.1 文獻回顧 1
1.2非極性面發光二極之優勢 4
量子侷限效應(Quantum-confined Stark Effect) 4
螢光之偏極化特性 8
1.3 目前成長m面GaN之進展 11
第二章 儀器介紹 13
2.1 分子束磊晶Plasma assisted molecular beam epitaxy (PAMBE) 13
2.2掃描式電子顯微鏡Scanning Electron Microscopy (SEM) 18
2.3 X光繞射儀 X-ray Diffraction(XRD) 20
2.4 感應耦合式電漿(Inductively-Coupled-Plasma, ICP) 21
2.5電子槍蒸鍍機 Electron beam (E-beam) 23
第三章 m-GaN與InGaN 薄膜成長 25
3.1成長前之基板處理 25
3.2 M面GaN薄膜之成長 27
3.3M面InGaN薄膜之成長 37
第四章M面P-I-N發光二極體成長與元件製作流程 47
4.1 M面p-GaN/InGaN/n-GaN發光二極體之成長 47
4.2 發光二極體元件製程 54
4.2.1氮化銦鎵樣品結構 54
4.2.2 高台製作(Mesa) 55
4.2.3蝕刻高台(Etching Mesa) 58
4.2.4 n型電極製作 59
4.2.5 p型電極製作 60
第五章 發光二極體元件量測與分析 67
5.1 M面發光二極體之量測與分析 67
5.2 電性與光性量測 69
第六章 結論 75
參考文獻 76












圖 目 錄

圖1.2-1 (a)沿c軸[0001]極化方向成長之量子井結構與能帶示意圖。
(b)沿a軸[1120]非極化方向成長之量子井結構與能帶示意圖 [25] 6
圖1.2-2氮化鎵烏采結構，右邊為非理想狀況下之極化[26] 6
圖1.2-3 InGaN/GaN 磊晶成長示意圖 (a)應變前(b)應變後 7
圖1.2-4 C面InGaN發光二極體變電流之EL量測 [27] 7
圖1.2-5 M面InGaN發光二極體EL與PV之量測 [28] 7
圖1.2-6 Hexagonal結構之GaN單位晶胞 [29] 10
圖1.2-7 Wurtzite結構InGaN之電子能帶圖 [30] 10
圖2.1-1 電漿輔助分子束磊晶系統概要圖 (Veeco Applied EPI 930) 15
圖2.1-2 位於CAR上的離子真空計 16
圖2.1-3 Continuous Azimuthal Rotation (CAR) 16
圖2.1-4 反射式高能電子繞射儀 (a)電子槍 (b)螢光屏幕 17
圖2.2-1 掃描式電子顯微鏡概要圖 19
圖2.3-1 X光對晶體繞射示意圖 21
圖2.4-1 感應耦合式電漿原理 22
圖2.5-1電子束蒸鍍原理示意圖 24
圖2.5-2坩鍋水冷示意圖 24
圖 3.1-1 基板固定之方式與順序 26
圖3.2-1 樣品示意圖 27
圖3.2.1-1 N/Ga比為20之GaN薄膜(a)表面(X1000) (b)側面 28
圖3.2.1-1 N/Ga比為20之GaN薄膜 (a)表面(X4000) (b)EDX 29
圖3.2.1-2 N/Ga比為30之GaN薄膜(a)表面(X1000) (b)側面 29
圖3.2.1-2 N/Ga比為30之GaN薄膜 (a) 表面(X4000) (b)EDX 29
圖3.2.1-3 N/Ga比為30之GaN薄膜(a)表面(b)側面 31
圖3.2.1-4 N/Ga比為20之GaN薄膜(a)表面(b)側面 31
圖3.2.2-1 Sample A XRDθ/2θscan 33
圖3.2.2-2 Sample A Rocking curve 33
圖3.2.2-3 Sample B XRDθ/2θscan 34
圖3.2.2-4 Sample B Rocking curve 34
圖3.2.2-5 Sample C XRDθ/2θscan 35
圖3.2.2-6 Sample C Rocking curve 35
圖3.2.2-7 Sample D XRDθ/2θscan 36
圖3.2.2-6 Sample D Rocking curve 36
圖3.3-1 樣品示意圖 38
圖3.3-2 氮化物之能隙與晶格常數對應圖 38
圖3.3-3 SampleE之InGaN薄膜SEI(a)表面(X1000) (b)側面 39
圖3.3-4 SampleE之InGaN薄膜(a)SEI表面(X4000) (b)以EDS分析表面金屬成分 39
圖3.3-5 Sample E XRD θ/2θscan 40
圖3.3-6 Sample E陰極發光光譜 40
圖3.3-7 Sample F之InGaN薄膜SEI (a)表面(X1000) (b)側面 41
圖3.3-9 Sample F XRD θ/2θscan 42
圖3.3-10 Sample F陰極發光光譜 42
圖3.3-11 Sample G之InGaN薄膜SEI (a)表面(X1000) (b)側面 43
圖3.3-11 Sample G以EDS分析表面金屬成分 43
圖3.3-12 Sample G XRD θ/2θscan 44
圖3.3-13 Sample G陰極發光光譜 44
圖3.3-14 Sample H之InGaN薄膜SEI (a)表面(X1000) (b)側面 45
圖3.3-15 Sample H XRD θ/2θscan 46
圖3.3-13 Sample H陰極發光光譜 46
圖4.1-1 p-i-n結構樣品示意圖 47
圖4.1-2 SampleI 之p-i-n薄膜SEI(a)表面(x1000)(b)側面 48
圖4.1-3 SampleI以EDS分析表面金屬成分 48
圖4.1-4 Sample I XRD θ/2θscan 49
圖4.1-5 Sample I陰極發光光譜 49
圖4.1-6 SampleJ之p-i-n薄膜SEI(a)表面(x1000)(b)側面 50
圖4.1-7 SampleJ以EDS分析表面金屬成分 50
圖4.1-8 Sample J XRD θ/2θscan 51
圖4.1-9 Sample J陰極發光光譜 51
圖4.1-10 Sample K之p-i-n薄膜SEI(a)表面(x1000)(b)側面 52
圖4.1-11 Sample K以EDS分析表面金屬成分 52
圖4.1-12 Sample K XRD θ/2θscan 53
圖4.1-13 Sample K陰極發光光譜 53
圖4.2-2樣品結構材料示意圖 55
圖4.2-1 製程步驟流程圖(樣品側面圖) 62
圖4.2-3高台製作流程圖 63
圖4.2-4蝕刻高台流程圖 64
圖4.2-5 n型電極製作流程圖 65
圖4.2-6 p型電極製作流程圖 66
圖5.1-1 Sample J XRD θ/2θscan 67
圖5.1-2 利用EBSD判定晶向 (a) wurztite結構示意圖 (b) p-type GaN表面形貌 68
圖5.2-1 M-LEDs製程前電壓-電流曲線圖 69
圖5.2-2 M面發光二極體電致螢光(50 mA；11.05V) 70
圖5.2-3 M-LEDs製程後電壓-電流曲線圖 71
圖5.2-4 M面LEDs注入不同電流之EL光譜圖 72
圖5.2-5 M面LED量測EL光譜實際圖 72
圖5.2-6 M面LEDs之EL偏極化光譜圖，從0°到90° 73
圖5.2-7 M面LEDs之EL偏極化光譜圖，從90°到180° 74
圖5.2-8 M面LEDs之EL偏極化光積分結果與角度之關係 74

























表 目 錄

表1.3-1於不同基板成長之m面氮化物 12
表3.2-1 依不同V/III比例與成長溫度成長的m-GaN成長條件 27
表3.3-1 第一層GaN磊晶層之成長參數 37
表3.3-2 第二層InGaN磊晶層之成長參數 37
表4.1-1 Sample I成長參數(A052300b) 47
表4.1-2 Sample J成長參數(A052300b) 50
表4-1-3 Sample K 成長參數(A052300c) 52
表5.1-1 Sample J p-i-n結構之樣品成長參數 67

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