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研究生： 許榮凱
Ron-Kai Hsu
論文名稱： 離子束氮化砷化鎵生成氮化鎵
The XPS Analysis of GaN by N2+ Ion Beam Nitridation GaAs
指導教授： 顏炳華
Biing-Hwa Yan
李敬萱
Chin-Shuang Lee
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 材料科學與工程研究所
Graduate Institute of Materials Science & Engineering
畢業學年度： 97
語文別： 中文
論文頁數： 62
中文關鍵詞： 砷化鎵 、氮化鎵 、X光電子能譜儀 、離子束氮化
外文關鍵詞： GaAs, GaN, XPS, Ion Beam Nitridation
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    • 摘要
    　　氮化鎵因為它的良好的物理性質而成為重要的材料並廣泛地應用於各種不同的面向上。現今，有許多的方法來製作氮化鎵，如金屬化學氣相沉積(MOCVD)、分子束磊晶(MBE)…等。但與基材常有晶格不匹配的現象，故利用氮化砷化鎵形成的緩衝層，再在其上製作氮化鎵是近年來發展的一種替代的方法。
    　　實驗中的離子束氮化是利用10keV、5keV不同加速電壓的氮離子束，其離子束電流密度約在2~4μA之間，以三種不同的劑量來氮化砷化鎵，並利用X光電子能譜儀來做分析。氬離子束清潔碳、氧的汙染物，會在砷化鎵上形成富鎵的表面。利用X光電子能譜儀分析的結果，可發現加速電壓越大，所形成的氮化鎵薄膜越厚；而劑量越大，形成的氮化鎵的薄膜亦較厚。
    　　與其它文獻比較，實驗中所製作出來的氮化鎵薄膜與其差異不大，故我們實驗參數下，所製作出來的氮化鎵薄膜厚度是可靠的。

    Abstract
    　　Because of its good physical properties, GaN becomes an important m- aterial that is widely used on various dimensions. Nowadays, many techniq- ues are taken to produce GaN, such as MOCVD, MBE, etc. However, due to there are large lattice mismatch between substrates and GaN layer, by using nitridation of GaAs to form a buffer layer before producing GaN on the subs- trate is an alternative in recent years.
    　　In the experiment, ion beam nitridation of GaAs using two different vol- tages of N2+ ion beam fixed in 10 keV and 5 keV , the ion beam current dens- ity from 2 to 4 μA and fixed three different doses are used to nitridation of GaAs. An X photoelectron spectroscopy (XPS) is used to do the analysis here. Argon ion beam clean carbon and oxygen pollutants form a surface of gallium -rich on gallium arsenide. According to the analysis, it is found that the higher the voltage of gallium ion beam is, the thicker the film of GaN is, and the gre- ater the dose is, the film of GaN is also thicker.
    　　Compared with other references, the thickness of GaN films in this expe- riment has little difference with their results. Therefore, the experiment para- meter of the thickness of GaN film in this experiment is reliable.

    目錄 中文摘要..................................................I 目錄.....................................................II 圖目錄...................................................IV 表目錄....................................................V 第一章 緒論...............................................1 　1.1簡介.................................................1 　1.2實驗動機與目的.......................................2 　1.3各章摘要.............................................3 第二章 基本原理...........................................5 　2.1離子束的形成.........................................5 2.1.1氣體放電原理.....................................6 　　2.1.2離子加速過程.....................................8 　2.2離子碰撞過程.........................................9 　2.3離子束氮化..........................................11 　　2.3.1離子束氮化現象..................................11 　　2.3.2砷化鎵離子束氮化的機制..........................15 　2.4 XPS工作原理........................................16 　　2.4.1光電效應........................................17 　　2.4.2化學位移........................................17 　　2.4.3能譜分析........................................17 　　2.4.4能譜數據處理....................................18 第三章 實驗設備與步驟....................................21 　3.1實驗設備............................................21 　　3.1.1真空設備........................................21 　　3.1.2離子化真空計....................................24 　　3.1.3離子源系統......................................25 　　3.1.4法拉第杯(Faraday Cup) ..........................26 3.2實驗流程............................................26 　3.2.1實驗準備階段....................................26 　3.2.2正式實驗階段....................................28 3.3實驗參數............................................29 3.4檢測儀器............................................30 第四章 結果與討論........................................36 　4.1 X光電子訊號........................................36 　　4.1.1表面全譜掃描結果................................36 　　4.1.2 XPS微區分析....................................40 　　　4.1.2.1 N1s微區與縱深分析..........................41 　　　4.1.2.2 As3d微區與縱深分析.........................43 　　　4.1.2.3 GA3d微區與縱深分析.........................45 　　　4.1.2.4氬離子束轟擊前後對砷化鎵材料的影響..........47 　4.2 Ga3d曲線配湊以及縱深分析...........................49 　　4.2.1不同劑量對GaN生成的影響........................50 　　4.2.2不同加速電壓對GaN生成的影響....................52 　　4.2.3 GaN與GaAs之定量分析...........................54 　　4.2.4與其他文獻比較..................................56 第五章 結論與未來展望....................................58 參考文獻.................................................60 圖目錄 圖1.1 氮化砷化鎵做緩衝層之示意圖..........................2 圖2.1 熱電子撞擊原子彈性碰撞示意圖........................7 圖2.2 熱電子撞擊原子示意圖：(a)激發過程、(b)電離過程......7 圖2.3 離子束碰撞固體表面產生的物理現象...................10 圖2.4 熱氮化法與離子束氮化反應模態比較圖.................14 圖2.5 入射離子與空位交換位置示意圖.......................15 圖2.6 光電子發生(光電效應)原理示意圖.....................20 圖3.1 實驗系統全圖.......................................31 圖3.2 機械幫浦旋片運轉之抽氣過程.........................31 圖3.3 擴散幫浦結構圖.....................................32 圖3.4 熱陰極真空計示意圖.................................32 圖3.5 氣體放電裝置.......................................33 圖3.6 離子束聚焦及加速系統...............................33 圖3.7 法拉第杯示意圖.....................................34 圖3.8 實驗電流圖示意圖...................................34 圖4.1 原材與sample6之全譜分析圖.........................38 圖4.2 原材與sample6全譜分析圖(390~410eV)................38 圖4.3原材與sample6之全譜分析(16~25eV) ..................39 圖4.4原材與sample6之全譜分析(30~50eV) ..................39 圖4.5原材之N1s微區掃描(Layer3) .........................41 圖4.6 sample6之N1s微區掃描(Layer5) .....................42 圖4.7 sample6之N1s 縱深掃描.............................42 圖4.8 原材As3d微區及縱深掃描............................44 圖4.9 sample6 As3d微區及縱深掃描.........................44 圖4.10 原材之Ga3d微區及縱深分析.........................46 圖4.11 sample6之Ga3d微區及縱深分析......................46 圖4.12 Ga3d半高寬隨深度的變化............................47 圖4.13 Ga3d曲線配湊......................................50 圖4.14 10keV不同劑量GaN含量比較.........................51 圖4.15 5keV不同劑量GaN含量比較..........................51 圖4.16不同加速電壓GaN含量比較...........................53 圖4.17不同加速電壓GaN含量比較...........................53 圖4.18 GaN含量趨勢圖(第一次實驗) ........................55 圖4.19 GaN含量趨勢圖(第一次實驗) ........................55 表目錄 表3.1 實驗參數表.........................................35 表4.1 各束縛能代表之化學意義.............................40 表4.2 GaN跟GaAs分峰的參數值.............................49 表4.3 不同參數GaN薄膜的厚度.............................54 表4.4 Y.G. Li et al.實驗結果.............................56 表4.5 P. Hill et al.實驗結果.............................56

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