本論文利用電漿輔助分子束磊晶(PA-MBE)方法，在藍寶石(Sapphire)基板上成長不同錳含量之氮化錳鎵薄膜。關於樣品的結構與光學特性將透過掃描式電子顯微鏡(SEM)、背向電子散射繞射(EBSD)、能量散佈光譜儀(EDS)、X射線繞射(XRD)、拉曼(Raman)散射、光致螢光(PL)、陰極發光(CL)、穿透光譜、反射光譜、 X光光電子能譜儀(XPS)的量測進行分析。
從SEM影像可以知道樣品膜厚介於550 nm ~ 850 nm，且EBSD顯示所有樣品成長面皆沿著C軸成長。透過EDS量測証實，我們成功地將Mn摻雜進GaN薄膜中，XRD與Raman顯示Mn在GaN薄膜裡成功地取代了Ga在晶體裡的位置，但卻也同時觀察到次要相的存在。由CL與吸收光譜結果，可發現在高於價帶1.5 eV處，有與Mn相關的能階存在，同時也存在著缺陷能階與GaN之3.4 eV能隙。最後經由XPS量測指出其與Mn相關之能階應為Mn2+、Mn3+貢獻的受體能階。

We have grown Ga1-xMnxN films on c-sapphire substrate by plasma-assisted MBE with different Mn fluxes. The films are characterized by scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectrometer (EDS), electron backscatter diffraction (EBSD), high–resolution X-ray diffraction (HR-XRD), Raman scattering, photoluminescence (PL), cathodoluminescence (CL), transmission spectra, reflection spectra and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
The SEM images show films thickness between 550 to 850 nm and EBSD indicates samples normal direction is c-axis. EDS spectra show the Mn is present in GaMnN samples. According to XRD and Raman scattering, Mn element occupying Ga site on GaN and Mn-N clusters phase coexist on films. From transmission and reflection spectra, stronger absorption at about 1.5 eV and 1.8 eV to 3.4 eV absorption band are found. The PL and CL show GaN band gap at 3.4 eV and blue band from 2.4 eV to 3.3 eV maybe due to defect level. Finally, the XPS spectra indicate Mn acceptor level is contributed to Mn+2 or Mn+3 states.

目 錄
論文審定書
誌謝
中文摘要
英文摘要
第一章、稀磁性半導體的發展與回顧 7
1.1 什麼是稀磁性半導體(Diluted Magnetic Semiconductor, DMS) 7
1.2 稀磁性半導體的發展 8
第二章、量測系統與原理介紹 13
2.1 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM) 13
2.2 能量散佈光譜儀(Energy Dispersive Spectrometer ,EDS) 17
2.3 電子背向散射繞射(Electron Backscatter Diffraction ,EBSD) 18
2.4 陰極發光(Cathodoluminescence, CL) 19
2.5 X-ray 繞射(X-ray Diffraction ,XRD) 22
2.6 拉曼散射(Raman Scattering) 23
2.7 光致螢光(Photoluminescence, PL) 24
2.8 穿透與反射光譜(Transmission and Reflection Spectra) 26
2.9 X光光電子能譜儀(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 27
第三章、樣品成長參數與結構 28
3.1 樣品成長參數 28
3.2 樣品結構 29
第四章、實驗結果與分析 30
4.1 掃描式電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscope, SEM) 30
4.2 能量散佈光譜儀(Energy Dispersive Spectrometer ,EDS) 33
4.3 電子背向散射繞射(Electron Backscatter Diffraction ,EBSD) 35
4.4 X-ray 繞射(X-ray Diffraction ,XRD) 38
4.5 拉曼散射 (Raman Scattering) 40
4.6 螢光光譜-光致螢光(Photoluminescence,PL)與陰極螢光(Cathodoluminescence , CL) 43
4.7穿透與反射光譜(Transmission and reflection spectra) 46
4.8 X光光電子能譜儀(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 50
第五章、結論 51
參考文獻 52













圖目錄
圖1.1.1 不同型態的半導體材料示意圖 7
圖1.2.1 錳摻雜量與居里溫度之理論預測關係圖 9
圖1.2.2以平均場理論預測摻雜錳後(錳含量5%)， 10
圖1.2.3 GaMnN 居里溫度預測及實驗結果圖 10
圖1.3.1 自旋發光二極體結構圖 11
圖1.3.2 自旋發光二極體的電致螢光曲線 11
圖1.3.3 自旋場效電晶體示意圖 12
圖2.1.1 場發式電子槍示意圖 13
圖2.1.2 電子束路徑示意圖。 14
圖2.1.3 電子束入射至樣品後產生的各種訊號 14
圖2.1.4 二次電子與背向散射電子示意圖 15
圖2.1.5 法拉第籠工作示意圖 15
圖2.1.6 偵測器工作示意圖 15
圖2.1.7 二次電子與背向散射電子能量分佈圖 16
圖2.1.8 背向散射電子發生、接收機率關係圖 16
圖2.2.1 X-ray產生示意圖 17
圖2.3.1電子背向散射繞射示意圖 18
圖2.4.1 CL電子激發與輻射耦合過程示意圖 19
圖2.4.2 CL光路圖 20
圖2.5.1 X-ray 繞射示意圖 22
圖2.6.1 不同能階對應的散射訊號 23
圖2.6.1 PL電子激發與輻射耦合過程示意圖 24
圖2.7.2 各式輻射耦合路徑示意圖 25
圖2.8.1反射、透射與吸收等現象示意圖 26
圖2.8.2 介面上反射與穿透示意圖 26
圖2.9.1電子產生示意圖 27
圖3.2.1 樣品成長結構示意圖 28
圖3.2.1 氮化鎵薄膜之六角柱結構示意圖 29
圖4.1.1 樣品A之SEM image 30
圖4.1.2 樣品B之SEM image 31
圖4.1.3 樣品C之SEM image 31
圖4.1.4 樣品D之SEM image 32
圖4.3.1 晶體方向與 mapping結果顏色對照圖 36
圖4.3.2 樣品A之diffraction pattern 與晶體示意圖 36
圖4.3.3 樣品B之diffraction pattern 與晶體示意圖 36
圖4.3.4 樣品C之diffraction pattern 與晶體示意圖 37
圖4.3.5 樣品D之diffraction pattern 與晶體示意圖 37
圖4.4.1 XRD 2θ-θ量測結果 39
圖4.5.1 拉曼散射光譜 40
圖4.5.2 拉曼散射光譜，樣品D之A1(LO)產生位移 41
圖4.5.3 薄膜應力與拉曼位移關係圖 42
圖4.6.1 錳取代鎵形成受體與施體示意圖 43
圖4.6.2 常溫CL量測結果 44
圖4.6.3 低溫CL量測結果 44
圖4.6.4 低溫CL量測結果針對Sample B、C、D放大 45
圖4.6.5 低溫PL光譜量測結果 45
圖4.7.1 Sample A 之穿透與反射光譜 46
圖4.7.2 Sample B 之穿透與反射光譜 47
圖4.7.3 Sample C 之穿透與反射光譜 47
圖4.7.4 Sample D 之穿透與反射光譜 48
圖4.7.5 樣品的吸收係數計算結果 49
圖4.8.1 XPS 錳元素的量測結果 50
圖5.1.1能帶圖示意圖 51






表目錄
表2.4.1. 光柵適用範圍表 …………………………………………21
表2.4.2. 偵測器適用範圍表…………………………………………21
表3.2.2 樣品成長參數表……………………………………………28
表4.2.1 樣品EDS成份分析…………………………………………34
表4.3.1 樣品EBSD mapping 結果……………………………………35
表4.5.1 薄膜應力與拉曼位移…………………………………………42

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