氧化鋅(ZnO)擁有高的激子結合能(60 meV)和原料便宜的優點，有潛力取代氮化鎵作為藍光�紫外光LED主流的材料。本研究使用與ZnO晶格匹配差異低的γ-LiAlO2 ( LAO)基板，利用化學氣相沉積法製備非極性ZnO磊晶。研究第一部份希望澄清重要製程參數，如鋅前驅物溫度、試片位置、和成長溫度對成長ZnO磊晶的影響。結果顯示，磊晶成長速率隨著鋅前驅物溫度升高而增加，也隨著試片距離爐心愈遠而增加，成長速率快慢將影響ZnO磊晶的表面形貌、種類、結晶性與發光性。低速成長的表面是具凹洞的長條形 (10 0) ZnO (m-ZnO)，其結晶性與發光性皆差；提高成長速率可使長條形m-ZnO表面較平坦且其結晶性最佳化；此時繼續升高速率，使長條形m-ZnO表面之上冒出團狀與顆粒狀ZnO，且薄膜結晶性劣化。到達最高成長速率時為m-ZnO與六角形 (0002) ZnO (c-ZnO)共存，且磊晶發光性良好。而低成長溫度時的表面是顆粒狀ZnO與m-ZnO共存；高成長溫度時的表面，以較平坦的長條形ZnO(長寬比例較大)為主。本研究第二部分以第一部份實驗結果為測試基準，探討高溫熱蒸鍍奈米緩衝層對ZnO磊晶成長的影響，結果顯示熱蒸鍍緩衝層能有效抑制c-ZnO在LAO基板上成核成長，因此有助於成長m-ZnO磊晶，進而擴大m-ZnO磊晶成長的溫度區間。高溫緩衝層的顆粒狀ZnO核種以島狀模式成核，在成長初期即可抑制c-ZnO成長，但未覆蓋緩衝層的區域仍可能使c-ZnO成核成長。若降低緩衝層退火溫度與氧氣流量將使m-ZnO薄膜結晶性變差，較短的退火時間略有助於m-ZnO磊晶成長。本研究第三部分，以第一部份實驗參數設定成長較平坦的ZnO磊晶(視為低溫緩衝層)，再後續成長ZnO磊晶，結果顯示加入一層厚度約170 nm且較平坦的緩衝層，能使薄膜結晶性提升。

Zinc Oxide (ZnO) has great potential for applications on ultraviolet/blue light emitting devices because of high exciton binding energy and low cost. This research use low lattice-mismatched γ-LiAlO2 (LAO) substrate to grow ZnO epitaxial films by chemical vapor deposition (CVD). The first part of the present study deals with effect of processing parameters including temperature of Zinc procuser, sample position and growth temperature on ZnO epilayer. High the precuser temperature and long distance between sample and center of CVD furnace resulted in high growth rates. When growth rate was low, (10 0) ZnO (m-ZnO) was obtained and its crystallinity and luminescence property were poor. After increasing the growth rate to a certain extent, the surface of epilayer was flat and the crystallinity was improved. A further increase of growth rate resulted in a mixture of m-ZnO and c-plane in the ZnO epilayer. Based on the first part of study, the second part was focused on examining the effect of a nanosized buffer layer on inhibiting the nucleation of c-plane ZnO. Results showed that the nucleation of c-plane ZnO was indeed inhibited at low growth temperature. Finally, the crystallinity the optical property of the epilayer were improved by introducing
a thick and flat buffer layer of ~170 nm in thickness.

總目錄 i
圖目錄 v
表目錄 xiv
第一章 前言 1
第二章 文獻回顧與理論基礎 3
2-1 化學氣相沈積 (Chemical Vapor Deposition，CVD) 3
2-1-1 CVD反應過程 3
2-1-2 CVD反應熱力學 4
2-1-3 CVD反應動力學 5
2-1-4 影響薄膜成長速率的參數 5
2-1-4-1 前驅物溫度與試片位置對成長速率的影響 6
2-1-4-2 成長溫度對成長速率的影響 7
2-2 成核與生長機制 8
2-2-1 同質成核(homogeneous nucleation) 8
2-2-2 異質成核(heterogeneous nucleation)與生長 9
2-2-2-1 層狀成長(Frank-van der Merve mode) 10
2-2-2-2 島狀成長 (Volmer- Weber mode ) 11
2-2-2-3 混合成長(Stranski-Krastanov mode) 11
2-2-2-4 晶格差異(lattice mismatch)與磊晶薄膜應變 12
2-2-2-5 成長模式與晶格差異應變及薄膜厚度 14
2-3 基板與ZnO 16
2-3-1 於α-氧化鋁(α-Al2O3)基板上的非極性ZnO磊晶 16
2-3-2 於γ-LiAlO2 (LAO)基板上的ZnO磊晶 18
2-3-2-1 極性ZnO磊晶 18
2-3-2-2 非極性ZnO磊晶 18
2-3-3 於LAO基板上的非極性GaN磊晶 21
2-4 緩衝層(buffer layer) 22
2-4-1 緩衝層成長時間與緩衝層厚度 23
2-4-2 緩衝層成長溫度 25
2-4-2-1 低溫緩衝層(low temperture buffer layer, LT-BL) 26
2-4-2-2 高溫緩衝層(high temperture buffer layer, HT-BL) 32
2-4-3 緩衝層退火 32
2-5 ZnO磊晶薄膜後續退火(post-anneal) 38
第三章 實驗方法 43
3-1 基板準備 43
3-2 磊晶成長 43
3-3 ZnO磊晶薄分析 44
3-3-1 掃描式電子顯微鏡分析 45
3-3-2 X光繞射分析 45
3-3-3 顯微光致螢光光譜儀分析 45
3-3-4 X光光電子能譜分析 46
3-3-5 原子力顯微鏡分析 46
第四章 實驗結果 50
4-1 成長參數對直接成長ZnO的影響 53
4-1-1 鋅前驅物溫度和試片位置對直接成長ZnO的影響 53
4-1-1-1 SEM分析 53
4-1-1-2 XRD分析 55
4-1-1-3 PL分析 56
4-1-2 成長溫度對直接成長ZnO的影響 74
4-1-2-1 SEM分析 74
4-1-2-2 XRD分析 75
4-1-2-3 PL分析 76
4-2 熱蒸鍍緩衝層對成長ZnO磊晶的影響 89
4-2-1 基板與熱蒸鍍緩衝層的表面分析 89
4-2-1-1 XPS分析 89
4-2-1-2 AFM分析 90
4-2-2 熱蒸鍍緩衝層對成長”120-20cm”-ZnO磊晶的影響 95
4-2-2-1 SEM分析 95
4-2-2-2 XRD分析 95
4-2-2-3 PL分析 96
4-2-3 熱蒸鍍緩衝層對成長”110-15cm”-ZnO磊晶的影響 102
4-2-3-1 SEM分析 102
4-2-3-2 XRD分析 103
4-2-3-3 PL分析 103
4-2-4 短時間成長的ZnO試片 110
4-3 緩衝層對成長ZnO磊晶的影響 114
第五章 討論 118
5-1 鋅前驅物溫度、試片位置和成長溫度對ZnO磊晶的影響 118
5-2 熱蒸鍍緩衝層對ZnO磊晶的影響 120
5-2-1熱蒸鍍緩衝層對ZnO磊晶的影響 120
5-2-2 二階段成長ZnO磊晶的機制 121
5-2-3 緩衝層參數對成長ZnO磊晶的影響 121
5-3 緩衝層對ZnO的影響 122
第六章 結論 127
第七章 參考文獻 129

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