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研究生：	姜信維 Chiang, Hsin-wei
論文名稱：	化學氣相沉積氮化鎵奈米結構及其性質分析 Preparation and Characterization of GaN Nanostructures by Chemical Vapor Deposition
指導教授：	劉全璞 Liu, Chuan-Pu
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 材料科學及工程學系 Department of Materials Science and Engineering
論文出版年：	2007
畢業學年度：	95
語文別：	中文
論文頁數：	80
中文關鍵詞：	化學氣相沉積、氮化鎵
外文關鍵詞：	GaN, CVD
相關次數：	點閱：76 下載：6
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本研究是去探討氮化鎵的奈米結構，實驗中使用簡單的管型加熱氣氛爐(Thermal CVD)來成長試片。由於不同實驗參數的改變，可以得到兩種不同的氮化鎵奈米結構，奈米線及角錐。藉由SEM、TEM、 PL及CAFM，分析生成物的形貌及其性質。
氮化鎵奈米線的成長方向為[ ]，其橫截面為三角形。奈米線的長度可達數十微米，尺寸約為100奈米。光激發光譜中，在3.407eV(364nm)可觀察到NBE的發光帶；也觀察到因缺陷而產生的黃光帶。藉由導電式原子力顯微鏡量測氮化鎵奈米線的電流-電壓曲線，經計算得知奈米線的蕭基阻障高度約0.373eV。而在氮化鎵角錐方面，從SEM上看來，所生成的氮化鎵角錐在某些方向上有著規則性的排列。在10~300K這個溫度區間去作變溫PL，明顯看到三個發光帶：2.279 eV (544nm)，3.226 eV (384nm)及 3.456 eV (359nm)。經計算，氮化鎵角錐的內部量子效率為12.3%。

This research uses thermal chemical vapor deposition to grow the nanostructures of gallium nitride. By changing experimental parameters, we get two different GaN nanostructures, nanowire and pyramid. The synthesized products are characterized by scanning and transmission electron microscopy, photoluminescence spectroscopy and conducting atomic force microscopy.
The nanowires grow alone the [2-1-10] direction with a triangular cross section. The length of the nanowires is about several micrometers, and the diameter is about 100nm. PL reveals a strong emission at 3.407eV ascribed to near band edge (NBE) recombination; while the well-known yellow luminescence band centered at 2.2 eV was also detected. Using CAFM to measure the I-V curve of the GaN nanowire, we got the schottky barrier hight of nanowire is 0.373eV.
From SEM image, the GaN pyramids have the ordering arrangement in some direction. The temperature-dependent PL spectra of the sample recorded from 10 to 300K has three peaks, 2.279 eV (544nm), 3.226 eV (384nm), and 3.456 eV (359nm). The internal quantum efficiency of GaN pyramid is 12.3%.

總目錄
	
中文摘要	......I
Abstract	......Ⅱ
誌謝 	......III
總目錄	......IV
圖目錄	......VI
表目錄	......IX

第一章 緒論......1
1.1 前言......1
1.2 研究動機......6
第二章 文獻回顧及理論基礎......7
2.1 氮化鎵材料概述	......7
2.2 化學氣相沉積(CVD)......11
2.3 奈米線成長機制......13
2.3.1 VLS	......15
2.3.2 SLS	......18
2.3.3 VS	......19
2.3.4 OAG	......20
2.3.5 Template......21
2.4 氮化鎵文獻回顧	......24
第三章 實驗方法......29
3.1 化學氣相沉積製作氮化鎵奈米結構......29
3.1.1 實驗流程......29
3.1.2 基板處理......30
3.1.3 實驗裝置......31
3.1.4 實驗步驟......32
3.2 實驗分析......34
3.2.1 掃描式電子顯微鏡(SEM)......34
3.2.2 穿透式電子顯微鏡(TEM)......37
3.2.3 化學分析電子能譜儀(ESCA)......39
3.2.4 光致螢光光譜(PL)......40
3.2.5 掃描式原子力顯微鏡(CAFM)......43
第四章 結果與討論......45
4.1	氮化鎵奈米線的成長及分析......45
4.1.1 表面形貌分析......45
4.1.2 晶體結構分析......48
4.1.3 成長機制探討......51
4.1.4 光激發光分析......52
4.1.5 電性量測......53
4.2	氮化鎵角錐奈米結構的成長及分析......57
4.2.1 表面形貌分析......57
4.2.2 表面元素分析......61
4.2.3 晶體結構分析......63
4.2.4 成長機制探討......67
4.2.5 光激發光分析......69
第五章 結論......75
參考文獻......76
自述 ......80

 
圖目錄
	
圖1-1 狀態密度函數與材料尺度之關係......5
圖2-1 (a) Wurtzite GaN 及(b) Zincblende GaN 結構示意圖......8
圖2-2 半導體材料之晶格常數與能隙的關係......10
圖2-3 典型的CVD反應的反應機構分解......12
圖2-4 各種成長一維奈米結構方式之示意圖......14
圖2-5 (A)以VLS 機制成長奈米線之示意圖、(B)Ge 與Au 相圖及形成合金、成核與成長之不同組成區域......16
圖2-6 以in-situ TEM來觀察整個VLS 反應中Ge 析出的過程......17
圖2-7 金顆粒大小與GaP奈米線粗細的相互關係......17
圖2-8 SLS 機制成長示意圖......18
圖2-9 氮化鎵奈米柱之TEM影像......19
圖2-10 氧化物促進一維奈米線成長之示意圖......20
圖2-11 形成一維奈米結構之方法(a)shadow evaporation (b)利用底部V型凹槽來重構一維結構 (c)藉由多層膜自側邊過度成長形成 (d)由固態基板表面所形成之階梯結構來形成起始取向......22
圖2-12 依材料填入孔洞模板的完全或不完全密實可分別製作出奈米線或奈米管等一維奈米結構......22
圖2-13 規則排列的多孔性AAO......23
圖2-14 以界面活性劑分子自組裝成奈米線，(a)先形成圓柱狀微胞、(b)於水相中以微胞將所成長的材料包住、(c)以適當的溶劑將界面活性劑分子移除留下奈米線，(d)~(f)過程同(a)~(c)，不過是以逆微胞的外表面為模板......23
圖2-15 ((a)氮化鎵奈米線之TEM 影像、(b)氮化鎵奈米緞帶之TEM 影像 (c)氮化鎵奈米線及奈米緞帶之形成機制示意圖......25
圖2-16 以AAO合成氮化鎵奈米線之示意圖......27
圖2-17 (a)使用AAO成長有序氮化鎵奈米線之SEM、(b)單根氮化鎵奈米線之TEM影像，右上插圖為選區電子繞射圖(SAED)......27
圖2-18在不同的基板上成長氮化鎵奈米線之SEM影像 (a)氧化鋰鋁單晶基板、(b)氧化鎂單晶基板。(c)、(d)分別為(a)、(b)氮化鎵奈米線成長方向之示意圖	......28
圖3-1 實驗流程圖......29
圖3-2 試片清洗流程......30
圖3-3 CVD系統示意圖......31
圖3-4 實驗升溫曲線......33
圖3-5 SEM及EDS裝置及其分析原理示意圖.......35
圖3-6 電子束撞擊試片產生之各種訊號示意圖......36
圖3-7 利用TEM鑑定材料之主要功能示意圖......38
圖3-8 TEM裝置示意圖......38
圖3-9 光電子產生原理示意圖......39
圖3-10 電子可能躍遷的路徑：(a)能帶間的躍遷 (b)激子的躍遷 (c)導帶到受子能階的躍遷 (d)施子能階到受子能階的躍遷 (e)施子能階到價帶的躍遷......41
圖3-11 PL裝置圖......42
圖3-12 導電式原子力顯微鏡（C-AFM）的結構示意圖......44
圖4-1 氨氣流量60sccm，在800℃持溫60分鐘所製備氮化鎵奈米線之SEM影像 (a)試片的邊緣區域 (b)試片的中間區域......46
圖4-2 單根氮化鎵奈米線之SEM影像 (a)截面為三角形的奈米線 (b)奈米線的側邊表面有著突起物......47
圖4-3 氮化鎵奈米線之明視野......49
圖4-4 氮化鎵奈米線之電子能量損失光譜EELS......50
圖4-5 氮化鎵奈米線之成長步驟圖......51
圖4-6 氮化鎵奈米線之μ-PL光譜......52
圖4-7 量測奈米線電性之裝置圖......55
圖4-8 奈米線的電流-電壓關係圖......56
圖4-9 用分子束磊晶系統所成長GaN薄膜之SEM影像(a)正視圖、(b)剖面圖......58
圖4-10 氮化鎵角錐之SEM影像 (a)3000X (b)10000X (c)EDS圖譜 (a)圖右上角插圖為傅立葉轉換出來之影像......59
圖4-11 氮化鎵角錐傾斜45°之SEM影像(a)3000X(b)10000X......60
圖4-12 氮化鎵角錐之化學分析電子光譜......62
圖4-13 用FIB製作橫截面TEM試片之影像......64
圖4-14 氮化鎵角錐之TEM分析 (a)低倍率明視野 (b)三角形區域的電子繞射 (c)GaN薄膜區域的電子繞射......65
圖4-15 氮化鎵角錐的高解析HRTEM影像......66
圖4-16 氮化鎵角錐排列的情形 (a)10000X (b)18000X......68
圖4-17 氮化鎵緩衝層與氮化鎵角錐之10K PL光譜......72
圖4-18 從10K到300K的PL光譜 (a)氮化鎵薄膜 (b)氮化鎵角錐......73
圖4-19 氮化鎵薄膜及氮化鎵角錐之PL積分強度對溫度(10-300K)之關係圖......74

 
表目錄
	
表2-1 氮化鎵的基本材料性質......9
表2-2 氮化鋁的基本材料性質......9
表2-3 氮化銦的基本材料性質......10
表2-4 不同的實驗參數與所產生的氮化鎵奈米結構......25
表4-1 不同鍵結之Ga3d束縛能......61
                                    

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48.X. H. Lu, P. Y. Yu, L. X. Zheng, S. J. Xu, M. H. Xie, and S. Y. Tong, Appl. Phys. Lett. 82, 1033 (2003).
49.H. W. Seo, S. Y. Bae, J. Park, H. Yang, K. Soo, and S. Kim, J. Chem. Phys. 116, 9492 (2002).
50.Y. P. Varshni, Physica 34, 149 (1967).
51.M. Leroux, N. Grandjean, B. Beaumont, G. Nataf, F. Semond, J. Massies, and P. Gibart, J Appl. Phys. 86, 3721 (1999).

校內：2012-07-24公開
校外：2012-07-24公開

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