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系統識別號 U0002-2202201000013900
中文論文名稱 薄膜樣品的高解析度X-光散射研究
英文論文名稱 Study of thin films using high resolution X-ray diffraction
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 物理學系碩士班
系所名稱(英) Department of Physics
學年度 98
學期 1
出版年 99
研究生中文姓名 黃勝彥
研究生英文姓名 Sheng-Yan Huang
學號 696210490
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-01-15
論文頁數 118頁
口試委員 指導教授-杜昭宏
委員-林大欽
委員-林昭吟
中文關鍵字 X光繞射  X光反射率 
英文關鍵字 X-ray Diffraction  X-ray reflectivity 
學科別分類 學科別自然科學物理
中文摘要 本論文是利用X光反射率和高解析X光繞射方法來研究薄膜樣品的界面與表面結構。第一部分觀察藉由有機金屬化學氣相沉積系統所成長於藍寶石基板或矽基板上的AlGaN/GaN多層膜系統。此系統,因為基板的不同,多層膜所排列的方式也會不同。利用這兩種量測法可以清楚地量測到每一層膜的厚度、粗糙度以及密度,並可以確定AlxGa1-xN之中Al的摻雜濃度。利用高解析X光繞射,並可以觀察到成長在藍寶石基板上的凝核層(GaN)受到基板應力的影響,而使得晶格常數產生改變。成長在矽基板的樣品,一樣可以觀察到此現象。從實驗中可得知,由於這些有緩衝作用的凝核層存在,而使得較上層的薄膜品質都變好了。從phi掃描的量測中,也可得知樣品具有六角型對稱的特性結構。
第二部分觀察藉由脈衝雷射沉積系統所成長於鋁酸鑭(LaAlO3)基板上的巨磁阻樣品Nd1-xCaxMnO3。從X光反射率的擬合分析中可以觀察到樣品表面層及介面層的存在。而介面層的產生是受薄膜和基板的晶格不匹配度影響,晶格不匹配度越大,介面層越厚。透過晶格常數的計算,更可以了解基板應力對薄膜晶格常數的影響。
英文摘要 This dissertation presents the study of the surface and interface structures of thin films by means of x-ray reflectivity (XRR) and high resolution x-ray diffraction (HRXRD). One of the systems studied is the AlGaN/GaN multi-layers, which is used for the high electron mobility transistor (HEMT), grown on the Al2O3 and Si substrates by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD). Using XRR, we measured the thickness, roughness, and density of each layer and the concentrations of Al in AlxGa1-xN. From HRXRD measurements, the lattice constants were observed to change because of the lattice mismatch between substrate and nucleation layer (GaN).
The second case is the colossal magneto-resistance (CMR), Nd1-xCaxMnO3, thin films grown on LaAlO3 substrate by the pulsed-laser deposition (PLD). From the fitted results of XRR, top and interface layers were observed in all samples. The formation of interface layer is due to the lattice mismatch between the film and substrate, and the thickness of the interface layer becomes thicker as the lattice mismatch increased. From the calculation of the lattice constants, we further understand the strain effect produced by the substrate on the films.
論文目次 目錄
第一章 前言------------------------------=-------1
1-1 X-ray的起源及簡介----------------------1
1-2 同步輻射介紹----------------------------5
1-2-1 同步輻射光源簡介------------------------5
1-2-2 同步輻射研究站簡介---------------------7
第二章 X光之基本理論與X光反射率------------------9
2-1 X光基本繞射條件------------------------9
2-2 實晶與倒晶格空間----------------------13
2-3 晶體體系----------------------------16
2-4 結構因子----------------------------20
2-5 反射率------------------------------23
2-5-1 反射率簡介---------------------------23
2-5-2 反射率原理---------------------------25
第三章 實驗儀器與實驗方法簡介------------------35
3-1 實驗儀器簡介---------------------------35
3-1-1 繞射儀----------------------------35
3-1-2 實驗設置與校正-----------------------37
3-2 反射率實驗方法---------------------------42
3-3 高解析繞射實驗方法---------------------------44
3-3-1 晶格定向---------------------------------44
3-3-2 高解析X光繞射實驗方法------------------45
第四章 HEMT 樣品簡介與測量結果----------------------47
4-1 樣品簡介-------------------------------47
4-1-1 樣品材料介紹-------------------------47
4-1-2 結構與製程---------------------------49
4-1-3 高速電子移動晶體---------------------55
4-1-4 量子井------------------------------58
4-2 反射率數據與分析結果------------------------60
4-3 高解析繞射數據與分析結果--------------------69
4-3-1 高解析X光繞射數據---------------------69
4-3-2 HRXRD數據模擬分析-------------------77
4-4 薄膜結構觀測-----------------------------87
第五章 NCMO 樣品簡介與測量結果----------------------88
5-1 樣品簡介------------------------------88
5-1-1 結構與製程----------------------------89
5-1-2 雙重交換(double-cxchange,DE)機制--------92
5-1-3 楊-泰勒效應(Jahn-Teller effect) --------94
5-2 反射率數據與分析結果-------------------------96
5-2-1 NCMO反射率數據----------------------96
5-2-2 XRR數據模擬分析-----------------------99
5-3 高解析繞射數據與分析結果---------------------105
5-4 薄膜結構觀測----------------------------------108
5-5 晶格常數計算與比較---------------------------109
第六章 結論---------------------------------------116
參考文獻

圖目錄
圖(1.1.1)陰極射線示意圖 -----------------------------------1
圖(1.1.2) X-ray產生示意圖----------------------------------2
圖(1.1.3) 特徵波長-----------------------------------------3
圖(1.2.1) 同步輻射波長範圍---------------------------------5
圖(1.2.2) NSRRC加速器示意圖-------------------------------8
圖(1.2.3) 插件磁鐵 ----------------------------------------8
圖(2.1.1)布拉格繞射示意圖---------------------------------11
圖(2.1.2)單一波長的光平行進入一維原子列上-----------------12
圖(2.1.3)不同α產生的繞射分佈之示意圖---------------------12
圖(2.2.1) Ewald sphere 示意圖-----------------------------15
圖(2.3.1) 布拉維晶格 -------------------------------------16
圖(2.4.1) 入射波與散射波的相位差--------------------------20
圖(2.5.1.1) GaN/Al2O3膜厚40 nm、波長0.154 nm條件下的XRR--------24
圖(2.5.2.1)異質介面反射、折射簡易圖-----------------------25
圖(2.5.2.2)反射率分析示意圖 ------------------------------28
圖(2.5.2.3) XRR - Different thickness --------------------31
圖(2.5.2.4) XRR - Different density ---------------------32
圖(2.5.2.5) XRR - Different wavelength ------------------33
圖(2.5.2.6) XRR - Different roughness --------------------34
圖(3.1.1.1)四環繞射儀及各角度示意圖----------------------36
圖(3.1.2.1) 實驗設置圖 ----------------------------------37
圖(3.1.2.2) 環心未校正前---------------------------------38
圖(3.1.2.3) 校正環心高度後-------------------------------39
圖(3.1.2.4) 環心校正後-----------------------------------39
圖(3.1.2.5) 直射光與環心的校正----------------------------40
圖(3.2.1) 樣品表面調平 -----------------------------------43
圖(3.3.1) 樣品與晶格面的miscut ---------------------------45
圖(4.1.2.1)樣品編號611、612及615示意圖--------------------53
圖(4.1.2.2)樣品編號613及614示意圖 -----------------------54
圖(4.1.2.3) AlGaN/GaN HFET一般之結構圖和能帶圖------------54
圖(4.1.3.1) PHEMT 受應力影響的晶格排列 -------------------57
圖(4.2.1) XRR – AlGaN/GaN (611~615)比較圖----------------61
圖(4.2.2) 擬合軟體LEPTOS --------------------------------61
圖(4.2.3)未加Capping layer反射率擬合圖 (611) ------------ 62
圖(4.2.4) 反射率擬合圖 (611) -----------------------------63
圖(4.2.5) 反射率擬合圖 (612) -----------------------------64
圖(4.2.6) 反射率擬合圖 (615) -----------------------------65
圖(4.2.7) 反射率擬合圖 (613) ----------------------------67
圖(4.2.8) 反射率擬合圖 (614) --------------------------- 68
圖(4.3.1.1) HRXRD – AlGaN/GaN (611) ---------------------70
圖(4.3.2.2) 由土耳其Gazi大學所成長的HEMT樣品 -----------71
圖(4.3.1.3)由土耳其Gazi大學所量測樣品之XRD圖 -----------71
圖(4.3.1.4) HRXRD – AlGaN/GaN (612) ---------------------72
圖(4.3.1.5) HRXRD – AlGaN/GaN (615) ---------------------73
圖(4.3.1.6) HRXRD – AlGaN/GaN (613) ---------------------74
圖(4.3.1.7)AlGaN/GaN(613)氮化鎵繞射峰放大圖---------------75
圖(4.3.1.8) HRXRD – AlGaN/GaN (614) ---------------------76
圖(4.3.1.9)AlGaN/GaN(614)氮化鎵繞射峰放大圖 -------------77
圖(4.3.2.1) 未做氮化鋁晶格常數變化的HRXRD擬合圖(611) ----78
圖(4.3.2.2) HRXRD擬合圖(611) -----------------------------78
圖(4.3.2.3) HRXRD擬合圖(615) -----------------------------80
圖(4.3.2.4) HRXRD擬合圖(613) -----------------------------81
圖(4.3.2.5) HRXRD擬合圖(613)放大圖------------------------82
圖(4.3.2.5) HRXRD擬合圖(614) -----------------------------83
圖(4.3.2.6) HRXRD擬合圖(614)放大圖------------------------83
圖(4.4.1) 樣品編號612的GaN (1 0 1) phi-scan --------------87
圖(5.1.1.1) Perovskite 鈣鈦礦結構 -----------------------89
圖(5.1.1.2) 錳氧化物結構示意圖(a) ------------------------91
圖(5.1.1.2) 錳氧化物結構示意圖(b) ------------------------91
圖(5.1.2.1) 3d軌域示意圖 --------------------------------92
圖(5.1.2.2)龐磁阻之雙交換機制----------------------------93
圖(5.1.3.1) Jahn-Teller 型變示意圖(a) -------------------95
圖(5.1.3.1) Jahn-Teller 型變示意圖(b) -------------------95
圖(5.2.1.1) XRR – NCMO (x=0.2、x=0.3、x=0.4、x=0.5和x=0.6)比較圖 ---------------------------------------------------97
圖(5.2.1.1) XRR – NCMO (x=0.0、x=0.2、x=0.3和x=0.8)比較圖-----98
圖(5.2.2.1) 反射率擬合圖 (x=0.2) -------------------------99
圖(5.2.2.2) 反射率細部放大擬合圖 (x=0.2) -----------------99
圖(5.2.2.3) 反射率擬合圖 (x=0.4) 未加Top layer ----------100
圖(5.2.2.4) 反射率擬合圖 (x=0.4) 加Top layer後-----------100
圖(5.2.2.5) 反射率擬合圖 (x=0.6) 加Top layer後-----------101
圖(5.2.2.6) 反射率擬合圖 (x=0.6) 加Top layer後的細部放大圖-----101
圖(5.2.2.7) 反射率擬合圖 (x=0.6) 同時加Top layer與介面層-------102
圖(5.2.2.8) 反射率擬合圖 (x=0.6) 同時加Top layer與介面層後的細部放大圖----------------------------------------------102
圖(5.2.2.9) 反射率擬合圖 (x=0.8) 加Top layer後-----------103
圖(5.2.2.10) 反射率擬合圖 (x=0.8) 加Top layer後的細部放大圖----103
圖(5.3.1) Nd1-xCaxMnO3當x=0.2、x=0.3、x=0.4、x=0.5和x=0.6時,而波長等於1.0341 Å時的HRXRD圖-----------------------106
圖(5.3.2) Nd1-xCaxMnO3當x=0.0、x=0.2、x=0.3和x=0.8時,而波長等於1.2398 Å時的HRXRD圖-----------------------------106
圖(5.3.3) NCMO所有HRXRD圖, λ = 1.0341 Å--------------107
圖(5.4.1) NCMO (x=0.8) 繞射峰 (1 1 2) phi-scan----------108
圖(5.5.1) pseudo-cubic結構下a軸的距離表示圖-------------111
圖(5.5.2) Primitive lattice parameter of a---------------112
圖(5.5.3) lattice constant of c -------------------------112
圖(4.5.4) 不同摻雜的RT圖--------------------------------113
圖(5.5.5) Nd^(3+)離子被Ca^(2+)離子替換後造成晶格扭曲-----------114
圖(5.5.6)不同的摻雜磁性對溫度的變化圖------------------114
圖(5.5.7) 以FC與ZFC不同量測方法量測磁性---------------115

表目錄
表(2.3.1)晶體體系與布拉維晶格-----------------------------17
表(2.3.2)不同晶體體系的原子面間距表示式-------------------19
表(4.2.1) Fitting result-XRR (611) -----------------------64
表(4.2.2) Fitting result-XRR (612) --------------------- 64
表(4.2.3) Fitting result-XRR (615) ---------------------- 66
表(4.2.4) Fitting result-XRR (613) -----------------------67
表(4.2.2.5) Fitting result-XRR (614) ---------------------68
表(4.3.2.1) Fitting result-XRD (611) ---------------------79
表(4.3.2.2) Fitting result-XRD (615) ---------------------80
表(4.3.2.3) Fitting result-XRD (613) ---------------------82
表(4.3.2.4) Fitting result-XRD (614) -------------------- 83
表(4.3.2.5) XRR和XRD擬合數據比較 (611) -------------------85
表(4.3.2.6) XRR和XRD擬合數據比較 (615) ------------------ 85
表(4.3.2.7) XRR和XRD擬合數據比較 (613) ------------------ 85
表(4.3.2.8) XRR和XRD擬合數據比較 (614) ------------------ 86
表(4.3.2.9) AlN和GaN的晶格常數理論值與實驗值--------------86
表(4.3.2.10) XRR和XRD中AlxGa1-xN的摻雜濃度比較-----------86
表(5.2.2.1) Fitting result-XRR (x = 0.2) ---------------- 99
表(5.2.2.2) Fitting result-XRR (x = 0.4) --------------- 100
表(5.2.2.3) Fitting result-XRR (x = 0.6) --------------- 102
表(5.2.2.4) Fitting result-XRR (x = 0.8) --------------- 103
表(5.2.2.5) Fitting result-XRR 厚度比較----------------- 104
表(5.2.2.6) Fitting result-XRR 密度比較----------------- 104
表(5.5.1) Bulk的a、b晶格常數,a^'與基板的不匹配度------- 111
參考文獻 參考文獻
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【27】歐致先,淡江大學碩士論文 (2008).
【28】徐存 博士所量測數據,台灣大學凝態科學研究中心 (2009).
論文使用權限
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