以有機金屬汽相沈積法成長磷化銦鎵磊晶膜及其特性分析

Abstract

近年來, 由於磷化銦鎵(InGaP) 磊晶膜在可見光半導體雷射的應用, 其材料特性愈來 愈受到研究團體的重視, 同時, 其△Ev＞△Ec的特性, 使之在元件的設計上有更廣泛 的應用, 如HEMT、HBT 等。 利用本研究群自行裝置的低壓有機金屬汽相沈積系統(LP-MOCVD)來成長磷化銦鎵磊晶 膜并研究其材料特性為本論文的重點。數種分析技術被采用來尋找最佳成長條件, 包 含電子顯微鏡(SEM),X 光繞射儀(XRD),光激發儀(PL), 霍爾測量(Hall measurement) , 穿透式電子顯微鏡(TEM) 等。 當成長溫度和五族三族比例保持在675℃ 和250 時, 表面平坦的磊晶膜可用電子顯微 鏡觀察到, 其蝕洞密度(etching pit density) 在3.0×10 ∼1.2×10 cm 的範圍 , 成長速率已被確認并做成參考圖表。利用光激發儀及X 光分析儀可決定氣相組成比 例到固相組成比例的轉換系數, 并被確認為K(Ca)=0.714,同時晶格不匹配的程度可達 到5×10 以下。 截至目前為止, 最佳的磊晶膜特性其PL半高寬為43meV(300K) 及12meV(4.2K),而300K 和4.2K能階差的實驗值約為20meV,顯示此材料特性較不易受溫度的影響, 有利於元件 的製作, 同時由光激發儀的結果得出一推論, 即成長完之后的高溫退火步驟, 有利於 得到較佳的磊晶膜特性, 最佳的晶膜電子遷移率(mobility)在300K時為3658cm /V.S. , 在77K 時為7165cm /V.S.。穿透式電子顯微鏡被采用來尋找磊晶膜的結構缺陷, 并 由繞射圖案來觀察磷化銦鎵次晶格排列(sublattice ordering) 的現象, 另外, 砷化 鎵與磷化銦亦有相當低的PL半高寬, 約1∼2meV 左右。 總而言之, 經過不斷實驗的結果, 特性良好的磊晶膜已可在穩定的實驗操作下獲得, 其PL半高寬及電子遷移率相當趨近於已被發表的最佳結果。