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研究生: 陳毅修
Yi-hsiu Chen
論文名稱: 以電漿輔助化學氣相沉積法製備表面粗糙化的摻鎵氧化鋅薄膜
Fabrication of surface-roughened Ga-doped ZnO film using plasma-enhanced chemical vapor deposition method
指導教授: 洪儒生
Lu-Sheng Hong
口試委員: 王孟菊
Meng-Jiy Wang
魏大欽
Ta-Chin Wei
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 化學工程系
Department of Chemical Engineering
論文出版年: 2014
畢業學年度: 103
語文別: 中文
論文頁數: 72
中文關鍵詞: 氮化鎵發光二極體P型氮化鎵層接觸層氧化鋅鎵電漿輔助化學氣相沉積法光學散射歐姆接觸
外文關鍵詞: GaN based LED, p-type GaN, contact layer, plasma-enhanced CVD, light scattering, ohmic contact
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  • 本研究乃針對藍光氮化鎵發光二極體元件的p型氮化鎵透明導電接觸層提出一取代材質及製程,考慮現在工業製程所使用的氧化銦錫薄膜中稀有元素銦的價昂,提案改使用同為透明導電氧化物的摻鎵氧化鋅來取代氧化銦錫。同時考慮使元件發光層發出的光能有效被導出元件,提案一新製程令剛鍍製好的摻鎵氧化鋅層表面呈現錐狀結構以提升光萃取效率來提高元件亮度。
    實驗上設計一電漿輔助化學氣相沉積系統,採用連續式、脈衝式與遠距式不同模式的電漿導入來成長薄膜,實驗結果以二氧化碳/二乙基鋅/三乙基鎵-連續式的電漿輔助化學氣相沉積系統在基材溫度為180oC、CO2/DEZn原料比為5.9、電漿功率為3w的條件下長膜主要的擇優晶相為(100),載子濃度為6.9x1020 cm-3,電阻率為3.09x10-3 Ω.cm,顯示鎵源確實成功摻入氧化鋅形成GZO薄膜;但薄膜表面之粗糙化仍要靠濕式蝕刻來達成。
    改採用水/二乙基鋅/三乙基鎵-脈衝式電漿輔助化學氣相沉積時,發現基材溫度在180oC、H2O/DEZn原料比為2、電漿功率為15w電漿脈衝頻率80Hzduty cycle為30%時,可成長出在藍光波長區時擴散穿透率大於40%的表面粗糙化GZO薄膜來。
    最後以水/二乙基鋅/三乙基鎵-遠距式電漿輔助化學氣相沉積薄膜時,基材溫度在180oC、H2O/DEZn原料比為2、電漿功率為3W條件下較利於表面(110)角錐結構薄膜的生長,惟鎵原子的摻入薄膜仍待進一步縮短遠距式電漿導入三乙基鎵氣流的滯留時間來達成。


    In this project, a newly developed Ga-doped ZnO (GZO) thin layer preparation process using plasma-enhanced chemical vapor deposition technique (PECVD) was proposed. A two-step growth process was also proposed to form self-textured GZO layers. Emphasis of the study will be placed on exploring the policies to increase the light extraction efficiency in GaN based LED devices through introducing the proposed GZO layers as a contact layer with p-type GaN.
    The technological background and innovation of the proposal are:
    1. By using PECVD technique to form GZO, we expect an increasing in the Ga source dissociation at low temperatures which facilitates highly doped GZO films .
    2. By introducing different model plasma :continuous plasma and pulsed plasma, we expect a self-textured GZO contact layer can increase the light extraction efficiency of GaN based LED devices.

    The technological goals of this project include:
    1. Process design of the GZO-PECVD.
    2. Evaluating the possibility to form self-textured GZO through the different plasma model.
    By using CO2/DEZn/TEGa-PECVD desposit GZO film, we find temperature at 180 oC 、CO2/DEZn ratio 5.9、plasma power 3 w , the main preferred orientation of the films was (100), the films exhibited low resistivity (6.9x1020 cm-3) .
    By using H2O/DEZn/TEGa-pulsed PECVD desposit GZO film, set frequency 100Hz and duty cycle 30%, we find temperature at 180 oC、H2O /DEZn ratio 2、plasma power 15 w, the films exhibited high diffused transmittance (40%) in the visible range.
    By using H2O/DEZn/TEGa- remoted PECVD desposited GZO film,we find temperature at 180 oC、H2O /DEZn ratio 2、plasma power 3 w, the I(110)/I(100) ratio is better more than other plasma power.

    目錄 摘要 I ABSTRACT III 誌謝 V 目錄 VI 圖索引 IX 表索引 XIII 第一章 緒論 1 1.1前言 1 1.2 背景 3 1.3構想 10 第二章 實驗製程、步驟與量測系統 13 2.1 實驗氣體與藥品 13 2.1.1 二乙基鋅 13 2.1.2三乙基鎵 14 2.1.3氬氣(nitrogen, Ar) 15 2.1.4二氧化碳(CO2) 15 2.1.5 超純水(DI water) 15 2.1.6 丙酮(acetone, CH3COCH3) 15 2.1.7 乙醇(ethanol, C2H5OH) 15 2.2實驗設備與步驟 16 2.2.1 實驗設備 16 2.2.2 實驗步驟 17 2.3實驗量測設備 19 2.3.1 熱燈絲掃描式電子顯微鏡 (scanning electron microscope, SEM) 19 2.3.2 霍爾量測儀 (Hall measurement) 20 2.3.3 X射線光電子能譜化學分析儀 (X-ray photoelectron Spectrometer,XPS) 23 2.3.4 X光繞射儀(X-ray Diffraction,XRD) 24 2.3.5 原子力顯微鏡 ( Atomic Force Microscope,AFM) 25 2.3.6 紫外光/可見光光譜儀 (UV/VIS) 28 第三章 結果與討論 31 3.1以二氧化碳/二乙基鋅的電漿輔助化學氣相沉積系統(CO2/DEZN-PECVD)成長氧化鋅 31 3.1.1 CO2/DEZn-PECVD反應系統在不同基材溫度下的長膜 31 3.1.2 CO2/DEZn-PECVD反應系統在不同反應壓力下的長膜 35 3.1.3 CO2/DEZn-PECVD反應系統在不同CO2/DEZn進料比下的長膜 39 3.1.4 CO2/DEZn-PECVD反應系統加入鎵源(TEGa)的長膜 41 3.1.5 使用化學濕式蝕刻方法來處理GZO薄膜 46 3.2以水/二乙基鋅/三乙基鎵的脈衝式電漿輔助化學氣相沉積系統(H2O/DEZ/TEG-PULSE PECVD)成長氧化鋅鎵薄膜 47 3.2.1 脈衝式電漿(pluse plasma) 47 3.2.2 以H2O/DEZn/TEGa-pulse PECVD頻率100Hz,以不同佔空比時的長膜 48 3.2.3 以H2O/DEZn/TEGa-pulse PECVD在頻率80Hz下,以不同佔空比時的長膜 50 3.3以水/二乙基鋅/三乙基鎵的遠距式電漿輔助化學氣相沉積系統(H2O/DEZN/TEGA- PECVD)成長氧化鋅鎵薄膜 57 3.3.1遠距式電漿(remote plasma) 57 3.3.2 以H2O/DEZn/TEGa-remote PECVD在不同電漿功率下的長膜 59 3.3.3 以H2O/DEZn/TEGa-remote PECVD在不同低電漿功率下的長膜 62 第四章 結論 68 參考文獻 69 圖索引 圖1-1照明光源發展史[18] 6 圖1-2 GaN-LED元件的剖面結構圖[19] 6 圖1-3 GaN-LED元件藉由加入折射率改變層以減少光的全反射之機構圖(a)未加入TCO層(b)加入TCO層 7 圖1-4(a) GaN經過KO蝕刻後形成六角錐狀金字塔表面粗糙結構, (b)藉此粗糙結構製成元件的發光功率增加的情形[28]。 8 圖1-5圖案型藍寶石基板(pattern sapphire substrate, PSS)(來源 :中美矽晶科技公司) (a)上視圖 (b)橫截面圖。直徑兩吋,厚度430±25 μm ,c-plane (0001),c-plane朝m-軸[ ]的傾斜角(off-angle) 0.2°,平邊為a-面( )、長度16.0±0.1 mm,單面拋光,圖案底寬(pattern bottom diameter) 3.3±0.25 μm,圖案間距(pattern space) 1.2±0.2 μm,圖案高度(pattern high) 1.4±0.15 μm。[29] 8 圖1-7在146℃下LPCVD法成長的ZnO薄膜(a)不同厚度下的XRD圖譜,(b)相對應SEM表面影像圖。 11 圖1-8在146℃下LPCVD法成長的ZnO薄膜(a)表面結構圖 (b)側面結構圖 11 圖1-9ZnO在不同厚度下生長於GZO之X-ray 繞射圖,GZO生長溫度在400oC 12 圖2-1二乙基鋅之蒸氣壓曲線圖 13 圖2-2三乙基鎵之蒸氣壓曲線圖 14 圖2-3擬採用低溫電漿輔助化學氣相沉積系統示意圖 16 圖2-4熱燈絲掃瞄式電子顯微鏡。 19 圖2-5樣品量測位置示意圖 [35]。 21 圖2-6霍爾量測示意圖 [35]。 21 圖2-7進行量測時外加磁場之示意圖 [35] 22 圖2-8X射線光電子能譜化學分析儀。 23 圖2-9 D2 phaser X光繞射儀(台灣科技大學材料工程系) 24 圖2-10Bruker,Model Icon AFM(台灣科技大學材料工程系) 25 圖2-11原子力顯微鏡成像架構示意圖[36] 26 圖2-12紫外光/可見光光譜儀 29 圖2-13總穿透率(Total transmittance)量測示意圖 30 圖2-14擴散穿透率( Diffused transmittance)量測示意圖 30 圖3-1 CO2/DEZn-PECVD反應系統在在不同基材溫度下長膜的 SEM剖面形態圖,基材溫度分別為(a) 180 (b) 150 (c) 120℃。 33 圖3-2 CO2/DEZn-PECVD反應系統120~180℃溫度範圍 34 圖3-3 CO2/DEZn-PECVD反應系統在不同基材溫度下長膜的XRD繞射圖譜,基材溫度分別為(a) 180 (b) 150 (c) 120℃。 35 圖3-4 CO2/DEZn-PECVD反應系統在總壓下長膜分別為(a) 300 mTorr (b) 500 mTorr的SEM剖面圖。 37 圖3-5 CO2/DEZn-PECVD反應系統改變在總壓為(a) 300 mTorr (b) 500 mTorr的長膜XRD繞射峰圖 38 圖3-6 CO2/DEZn-PECVD反應系統在進料比(CO2 /DEZn)長膜分別為(a) 15.72(b) 7.86 (c) 5.9的XRD繞射峰圖。 40 圖3-7 CO2/DEZn/TEGa-PECVD系統長膜,分別為(a) C 1s (b) O 1s (c) Zn 2p (d) Ga 2p的X光電子能譜儀鍵結圖。 43 圖3-8 CO2/DEZn/TEGa-PECVD長膜與CO2/DEZn –PECVD在不同壓力時的長膜的紫外光/可見光光譜儀圖 45 圖3-9 CO2/DEZn/TEGa-PECVD系統長膜的XRD繞射圖 45 圖3-10 化學濕式蝕刻經過(a)1秒(b)5秒(c)10秒(d)15秒的AFM 3D圖 46 圖3-11 H2O/DEZn/TEGa-pulse PECVD頻率100Hz下調整不同佔空比時長膜的紫外光/可見光光譜儀圖 50 圖3-12 H2O/DEZn/TEGa-pulse PECVD在頻率80Hz下佔空比50%時的長膜(a) 剖面形態, (b) ~(d) 不同倍率下表面形態的SEM圖 。 52 圖3-13 H2O/DEZn/TEGa-pulse PECVD在頻率80Hz下佔空比30%時的長膜(a) 剖面形態, (b) ~(d) 不同倍率下表面形態的SEM圖。 53 圖3-14 H2O/DEZn/TEGa-pulse PECVD頻率80Hz在不同佔空比時的長膜的紫外光/可見光光譜儀圖 54 圖3-15 LPCVD系統利用兩階段法成長不同厚度氧化鋅的GZO薄膜的紫外光/可見光光譜儀圖 (出處[37]) 55 圖3-16 H2O/DEZn/TEGa-pulse PECVD頻率80Hz在不同佔空比時的長膜(a)Ga 2p3/2 (b)Zn 2p3/2的X光電子能譜儀鍵結圖 56 圖3-17 遠距式電漿化學氣相沉積系統設備圖 58 圖3-18遠距式電漿化學氣相沉積系統玻璃管與電漿線接合圖 58 圖3-19以H2O/DEZn/TEGa-remote PECVD在不同電漿功率(a)5W (b)10W(c)15W下長膜的樣品圖 60 圖3-20以H2O/DEZn/TEGa-remote PECVD在不同電漿功率(a)5W (b)10W (c)15W下的玻璃管外視圖 61 圖3-21以H2O/DEZn/TEGa-remote PECVD在不同電漿功率(a) 1W (b) 3W 下長膜的樣品圖 63 圖3-22 以H2O/DEZn/TEGa-remote PECVD在不同低電漿功率下長膜的 SEM圖(a) 1W下長膜的剖面形態 (b) 3W下長膜的剖面形態 (c) 1W下長膜的表面形態 (d) 3W下長膜的表面形態 64 圖3-23以H2O/DEZn/TEGa-remote PECVD在不同低電漿功率(a) 1W (b) 3W下長膜的 EDS圖 65 圖3-24以H2O/DEZn/TEGa-remote PECVD在不同低電漿功率下長膜(a) 3W(b) 1W的XRD繞射圖 66 圖3-25以H2O/DEZn/TEGa-remote PECVD在不同低電漿功率UV/VIS圖 67 表索引 表3-1 CO2/DEZn-PECVD在不同基材溫度下的長膜條件 32 表3-2 CO2/DEZn-PECVD反應系統在不同基材溫度時測得的長膜厚度與成長速率 34 表3-3以CO2/DEZn-PECVD在不同腔體壓力下的長膜條件 36 表3-4 CO2/DEZn-PECVD在不同進料比下的長膜條件 39 表3-5 CO2/DEZn/TEGa-PECVD系統的長膜條件 41 表3-6 CO2/DEZn/TEGa-PECVD系統長膜的XPS 42 表3-7 CO2/DEZn/TEGa-PECVD系統長膜厚度300 nm的霍爾 44 表3-8 H2O/DEZn/TEGa-pulse PECVD頻率100Hz以不同佔空比成長GZO薄膜 48 表3-9 H2O/DEZn/TEGa-pulse PECVD在頻率80Hz下以不同佔空比成長GZO薄膜 51 表3-10 H2O/DEZn/TEGa-pulse PECVD使用頻率80Hz在不同佔空比時的長膜的X光電子能譜儀之元素組成分析 56 表3-11 H2O/DEZn/TEGa-pulse PECVD在不同電漿功率下的長膜條件 59 表3-12 H2O/DEZn/TEGa-pulse PECVD在不同低電漿功率下的長膜條件 62

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    無法下載圖示 全文公開日期 2019/10/02 (校內網路)
    全文公開日期 2024/10/02 (校外網路)
    全文公開日期 2019/10/03 (國家圖書館:臺灣博碩士論文系統)
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