緩衝層對 InN 薄膜之影響
近年來，由於光電產業的蓬勃發展，高效率的光電材料需求殷切。半導體化合物因具有生命週期長、能隙調變範圍大、發光效能高及價格低廉等優點，故逐漸成為光電材料應用主流，其中更以 III-V 族氮化物材料適合作為藍光至紫光波段的發光材料，可藉由改變半導體化合物的成分及濃度，得到各種不同的發光波長，使 III-V 族半導體成為現今最具發展潛力的光電半導體材料。
圖一、超高真空電漿輔助化學束磊晶系統 (UHVPACBE) 示意圖
氮化銦 (InN) 為前述半導體化合物材料中，目前各國專家學者極力研究的新興材料之一，由於其擁有許多優越的光電性質，屬於直接能隙材料，相較於其他化合物半導體的間接能隙材料，避免了光電轉換時的熱能與動能損耗。InN 結構以纖鋅礦 (wurtzite) 結構為主。近年來，InN 材料之能隙已被證實落於紅外光區，約為 0.7 eV，此一能隙值接近太陽光譜，未來可應用於太陽能電池，並可將太陽能電池效率向上提升。此外亦可應用於 InGaN 相關元件的結構中，藉由調配 Ga 與 In 的成分比例，便可獲得由 0.7 eV 至 3.4 eV 之間各種不同能隙的材料，光譜範圍涵蓋由紅外光到紫外光的範圍，對各種光電領域的應用，如太陽能電池 (solar cell) 與發光二極體 (LED)，皆有極大的發展潛力。
惟 InN 材料裂解溫度較低，故不易以現有磊晶技術成長，早期更無法成長出高品質 InN 薄膜。近年來，陸續有許多研究團隊利用 MOCVD 與 MBE 成長出高品質的 InN 薄膜。眾多研究結果指出，InN 在 III-V 族氮化物材料中，具有最低的電子有效質量 (effective mass)，這使得 InN 具有高遷移率與高飽和速度，於室溫下，其最大遷移率之理論值可達到 4000 cm2/V-s，將可應用於高速電子元件。目前 InN 材料之相關研究眾多，但仍未有明確的結果。
本實驗使用本中心自行組裝之超高真空電漿輔助化學束磊晶系統 (如圖一所示) 分別成長氮化銦薄膜於高指向性氧化物薄膜緩衝層、氮化鎵緩衝層與氮化鋁緩衝層。其中 V 族來源使用氮氣電漿源，可有效降低製程溫度，並利用電漿光譜即時偵測氮氣電漿中的成分組態，光譜中顯示電漿中多為活化的氮原子 (N*)。
薄膜晶體結構特性分別使用 Bede D1 高解析 X 光繞射分析儀與場發射掃描式電子顯微鏡 (FE-SEM) 觀察薄膜微結構影像，另外透過光激發螢光光譜儀測量 InN 薄膜於不同緩衝層材料之光學特性。
圖二為使用不同緩衝層所成長之 InN 薄膜晶體結構繞射圖，依據光譜得知，成長於不同緩衝層上的 InN 薄膜皆以其結構皆為纖鋅礦六方柱狀晶 (hexagonal columnar phase) 結構為主，並以 c 軸 (0002) 為擇優生長方向，進而分析光譜之半高寬可知，成長於 GaN 薄膜之 InN 薄膜，其晶體結構在成長過程中較其他兩種完整。因氮化鎵與氮化銦同屬於氮化物材料，且其晶格不匹配率約為 9.7%，較氮化鋁的 14.2% 小，故薄膜成長時所受的應力較小，有較好的結晶品質。
 圖二、InN 薄膜沉積於不同材料緩衝層之 X 光繞射結果 |
 圖四、InN 薄膜於不同緩衝層材料之斷面微結構圖 |
 圖三、不同緩衝層材料成長 InN 薄膜之光激發螢光光譜圖 |
此外，InN 薄膜的能隙可由光激發螢光光譜圖得知 (圖三)，其能隙皆落於 0.7 eV 至 0.8 eV 之間，此一能隙值接近目前所公認的 InN 能隙值，然而，薄膜中仍有一定的缺陷密度，進而使 InN 產生出其他的能隙，此現象可同時由光譜圖中得知。
圖四顯示 InN 薄膜於不同材料緩衝層之斷面微結構影像圖。圖四 (a) 為 InN 成長於氮化鋁薄膜上，可觀察到薄膜厚度約為 900 nm 左右，電子遷移率約為 300 cm2/V-s，薄膜表面較為粗糙，並呈現有部分以一維結構成長。圖四(b) 為 InN 薄膜成長於氧化物薄膜上，其厚度則為 650 nm 左右，使用氧化物緩衝層之 InN 薄膜表面粗糙度較其他兩種平整，電子遷移率約為 117 cm2/V-s。而圖四 (c) 為 InN 成長於 GaN 緩衝層上，厚度約為 670 nm，電子遷移率約為 170 cm2/V-s。因化學束磊晶系統擁有平均 (−25 nm/min) 的高沉積速率，因此容易使材料表面粗糙度提高。
本中心致力於光學與微奈米製程開發的研究與發展，化學束磊晶系統更具有製程設備本土化的優勢，可促進奈米材料研發與產業成長，再配合現有的光電檢校技術，將協助國內光電業者的技術發展。
