Abstract
本研究使用同步輻射X光繞射與吸收光譜技術，對有機金屬氣相磊晶(MOVPE)成長之GaN(0001)/ Al2O3 (0001)磊晶薄膜做一嚴謹的結構分析。未摻雜鎂的GaN為單一wurtzite(w)相的結構，與氧化鋁基板的磊晶晶向關係為GaN(0001)/ Al2O3 (0001)與GaN<11-20>||Al2O3<-1100>。製程中鎂的摻雜導致GaN薄膜結構產生非常多的缺陷，尤其會產生zinc-blende(z)相的結構，進而使GaN薄膜與Al2O3基板的磊晶關係不再只限於一種。 增加鎂的摻雜會大輻增加氮化鎵薄膜的缺陷密度，使薄膜不再保持單一晶相結構與特定磊晶方向。Zinc-blende結構因為鎂的加入而出現，磊晶關係為z<111>||Al2O3<0001>; 同時wurtzite相因為晶格匹配的關係，w<0001>||z<11-1>將會是另一種選擇，此類傾斜的wurtzite相(0001)與Al2O3(0001)不再相互平行，(10-11)面約以8.2∘的夾角偏離Al2O3(0001)面的法線方向。隨著鎂的摻雜量增加，zinc-blende相所佔比例也越來越高，wurtzite相結構的磊晶方式則轉變成以w<0001>||z<11-1>傾斜的磊晶關係為主，且呈現六重對稱的晶域分布。多種磊晶方向的存在使主要結晶相平均晶粒粒度變小，同時產生許多缺陷結構和wurtzite相的細小晶粒，例如垂直基板成長以<10-11>為優選方向的特殊纖維織構。 利用高強度、準直性佳及高解析度的同步輻射光源，X光異常繞射吸收能譜可直接鑑定出wurtzite(0006)與zinc-blende(333)電子結構的些微差異，再比較X光繞射角度，前者較後者的晶面間距差了0.02Å。對照不同鎂摻雜量的GaN薄膜PL光譜與薄膜磊晶結構的變化，顯示GaN能帶間隙的轉變(3.2eV=>2.8eV)可能來自垂直於表面成長的(10-11)wurtzite相纖維織構。著眼於GaN薄膜存有數種的磊晶方向何不同結構，本研究結果發現光電物性和微觀結構兩者間的緊密關係，對於發光機制的釐清和樣品元件的優化提供另一種研究途徑。