用氮化铝镓（AlGaN）为主要材料制造的深紫外光（deep ultraviolet, DUV）发光二极体（light-emitting diodes, LEDs）元件，其优异的光学性质和体积小的特性，逐渐取代水银灯和氙气灯，成为携带型生化检查系统、净水器、紫外光微影曝光机等的光源。藉由各种改善磊晶层结构品质的方法，可以进一步增进现阶段氮化铝镓（AlGaN）深紫外光发光二极体的光学性质。其中一个方法是在氮化镓（GaN）和氮化铝镓（AlGaN）的侧壁上引入一层纳米级氧化镓磊晶层。
本文将呈现如何应用宜特材料分析实验室的穿透式电子显微镜（TEM）分析技术鉴定俗称第四代半导体-氧化镓（Ga2 O 3）磊晶层的晶体结构，晶体形貌与组成。
为何氧化镓（Ga 2 O 3）被称为第四代半导体？
氧化镓（Ga2 O 3）被称为第四代半导体的原因是，其超宽能隙的特性，相较于相较于第三代半导体（化合物半导体）碳化硅（SiC）与氮化镓（GaN），将使材料能承受更高电压的崩溃电压与临界电场。
一、 氮化铝镓深紫外光发光二极体元件结构
用有机金属化学气相沉积（Metal-organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD），制作的氮化铝镓深紫外光发光二极体薄膜元件之剖面图如图一（a）所示。先在蓝宝石（sapphire）基板上长一层氮化铝（aluminum nitride, AlN）做为缓冲层，减少后续氮化铝镓磊晶层的差排缺陷，长上二层不同铝浓度的氮化铝镓磊晶层后，再长上多重量子阱（multiple quantum well, MQW）层、电子阻挡层（electron-blocking layer, EBL）、氮化镓（gallium nitride, GaN）等纳米磊晶层。
接下来用微影制程将此MOCVD 制作的元件顶部蚀刻成如图一（b）所示的平台形状，然后在氧化气氛的高温中热处理，使氮化铝镓磊晶层侧壁和氮化镓表面生成氧化物，最后再用磁控溅镀（magnetron sputtering）法镀上一层100 纳米厚的高纯度二氧化硅，如图1一（c）所示。
图一：氮化铝镓(AlGaN)深紫外光发光二极体元件的剖面图示意图。（a）MOCVD成长的二极体元件；（b）用微影制程蚀刻元件顶部形成平台后；（c）经氧化热处理+ SiO2 镀层后。（来源：宜特科技）
二、 TEM 影像与电子绕射分析鉴定反应生成相
先用聚焦离子束（focus ion beam, FIB）在元件顶部选定的位置切割，制成横截面型TEM（cross-section TEM, X-TEM）试片，然后对一系列不同热处理的氮化铝镓试片进行TEM/STEM 影像分析和电子绕射，目的在鉴定氮化铝镓磊晶层侧壁和氮化镓表面形成的氧化物为何物。
图二显示二张中低倍率的TEM 明场像，分别为原始氮化铝镓试片与900ºC，20 分钟热处理的氮化铝镓试片的横截面结构。仔细比较图二a 与图二b，可以发现热处理后的试片，在氮化镓层顶部和氮化铝镓层侧壁共有三个新相（phases）产生，如图二b 中标示1、2、3 的区域。
图三中比较900ºC，20 分钟热处理的氮化铝镓试片的STEM 明场像和环形暗场像。综合图二和图三中的TEM 与STEM 影像，宜特材料分析实验室初步归纳出STEM 环形暗场像是此材料系统的最佳影像分析技术。我们在将影像倍率再往上提高，进一步确认STEM 暗场像在此材料系统的适宜性。
如图四所示，STEM 环形暗场像，明显比STEM 明场像更清楚区分各新形成的生成物。从以上这些初步的影像资料中，生成物影像明暗对比的变化特性，推断第一相和第三相为多晶，且晶粒大小只有数纳米，而第二相有可能为单晶结构。
图二：TEM 明场像显示氮化铝镓深紫外光发光二极体元件的横截面结构。（a）MOCVD生长后，热处理前；（b）900ºC/20 分钟热处理后。（来源：宜特科技）
图三：900ºC/20 分钟热处理后，氮化铝镓深紫外光发光二极体元件的横截面结构。(a) TEM明场像；(b) STEM环形暗场像。（来源：宜特科技）
图四：二组中高倍率STEM 影像显示900ºC/20 min，热处理后二极体元件顶部与侧壁的氧化层结构。（a）&（b）分别为GaN 顶部与侧壁的氧化层结构的STEM 明场像和环形暗场像；（c）&（d）分别为AlGaN 侧壁的氧化层结构STEM 明场像和环形暗场像。（来源：宜特科技）
图五则显示一组选区绕射图案（selected area diffraction pattern, SADP）和一低倍率STEM 明场像。这些SADPs 分别对应氮化镓层、氮化铝镓层、和三个生成物（图5a）。氮化镓层和氮化铝镓层都是磊晶层（epitaxial layer），对应的SADPs 指出TEM 观察方向都是[1 1 -2 0] 极轴（zone axis）方向。三个生成物的SADPs 目前尚未完全解出，但是其形貌都是单一组点状绕射图案，而且非常类似。此种形式的SADPs 指出该分析区域是单晶，而且这些单晶的某个晶向都和氮化镓层（氮化铝镓层）的[0002] 晶向逆时针偏转约10 度。这个从SADPs 的晶体分析结果和从图三与图四影像资料推论的晶体结果有所矛盾。
图五： 900ºC/20 分钟热处理后，氮化铝镓试片的低倍率STEM 明场像，与磊晶层的选区绕射图案。（a）低倍率STEM 明场像；（b）GaN 的SADP，z = [11 -2 0]；（c）AlGaN 的SADP，z = [11 -2 0]；（d）第1 相生成物的SADP；（e）第2 相生成物的SADP；（f）第3 相生成的SADP。
针对前述TEM/STEM 分析结果的矛盾，我们进行临场TEM/STEM 影像和电子绕射交互分析观察，确定在氮化镓层上方/侧壁和氮化铝镓侧壁，经高温热处理后产生的生成物都是单晶。第一相生成物和第三相生成物内的明暗变化，并非因为晶粒产生的绕射对比，而是试片本身密度变化产生的原子序对比。
从更高倍率的STEM 环形暗场像，如图六所示，我们更清楚辨认生成物为多孔性结构，暗色的区域（明场像中亮的区域）是空孔。第一相生成物空孔的尺寸明显数倍大于第三相生成物空孔的尺寸，第二相生成物算是致密的单晶结构，但其内仍有几个大空孔，其中一个如图六中白色箭头指处。造成第一相生成物和第三相生成物为多孔性结构的原因，推测可能是热处理温度过高，氧和镓与铝的交互扩散速率高于生成物原子堆积速率所导致的结果。
一般来说，用电子绕射图案解析晶体结构，必须从数个极轴方向的SASPs 推算才能得到确定的结果。由于目前只有一个极轴方向的SASPs，很难从这些有限的SADPs 中明确地推算出生成物的晶体结构。从SASP 模拟分析中发现b-Ga2 O 3 的[0 1 0] SADP 和图五（d, e, f）中的SADP 很接近，因此初步推断在GaN 层上的生成物有可能是b-Ga 2 O 3，而在AlGaN 层上的生成物则有可能是b-（Al x Ga 1-x）2 O 3。由于b-Ga 2 O 3 是单斜晶体，其SADP 的分析工作将会复杂许多。
图六：900ºC/20分钟热处理后，氮化铝镓试片的高倍率STEM 环形暗场像，解析生成物的显微结构形貌。白色箭头指处是一较大的空孔。（来源：宜特科技）
三、 STEM/EDS 分析-自我校正定量分析
图七显示一组由STEM/EDS 能谱影像（spectrum image）技术，获得的氮化镓和生成物之元素映像图（elemental maps）。这些元素映像图显示生成物的组成元素只有氧和镓，意指此生成物是镓氧化物。再用EDS 软体从二氧化硅层拉一垂直相界（phase boundary）的直线（图八（a）中的浅蓝色箭头），通过氧化物到达氮化镓层，算出沿此直线各元素的浓度变化。
图八（b）显示计算出来的结果，此计算结果是由TEM 的EDS 软体用内存的K 因子（K factors），进行成份定量分析。这样EDS 定量分析方法称为无标准试片定量分析法（standardless quantitative analysis），此方法计算的结果目前已广泛被各种科学与工程类的论文期刊接受。
在图八（b）的EDS 直线浓度变化曲线（line profiles）内，对应氧化物1B 的区段内，找出一平坦的区段，推算氧化物1B 的成份，得到该氧化物的组成元素比（O/Ga）为1.23，相当于化学式为Ga5 O 6。这是EDS 侦测器接收从试片发出的元素X-光讯号，加上资料库内的K因子后计算出的氧化物成分，然而文献中没有这种成份的氧化镓。
当定量分析的元素包含碳、氮、氧等轻元素时，即使TEM 试片属薄片（thin foil）型试片，吸收效应仍然相当显著，只是经常被忽略，造成相当大的误差而不知觉。仔细检查图八（b）可以发现，在直线浓度变化曲线的左侧二氧化硅区段中O/Si 比值小于2，而右侧氮化镓区段中N/Ga 比值明显小于1。利用这二侧已知成份的二氧化硅层和氮化镓层，对此直线浓度变化曲线做自我校正（self-calibration）修正。
经修正后的直线浓度变化曲线如图八（c）所示，此时从相同平坦区段推算的组成元素比（O/Ga）为1.53，相当于化学式为Ga2 O 3，符合文献中报导的氧化镓组成，也符合化学键价数的搭配。
在TEM（STEM）/EDS 成份定量分析中，利用待分析物周围已知成份的相，做自我校正计算，进一步提高EDS 定量分析的准确度称为EDS 自我校正定量分析法（self-calibration EDS quantitative analysis），此技术是宜特实验室自行开发的TEM 材料成份分析技术之一，校正后的结果比只经由EDS 内建软体的计算结果准确许多。
主要的原因在于所有的TEM/EDS 内建软体都不考虑元素X-光在TEM 试片内的吸收效应。然而当EDS 定量分析牵涉到碳、氮、氧等轻元素时，因这些元素的X-光能量很小，吸收效应产生的误差就变成相当明显。对于含轻元素的化合物，透过EDS 自我校正定量分析法，宜特材料分析实验室的TEM/EDS 定量分析结果比其他TEM 分析实验室更为准确。
图七：900ºC/20 分钟热处理试片的氮化镓和氧化物的元素映像图。（a）分析区域的STEMBF 影像；（b）镓元素映像图；（c）氮元素映像图；（d）氧元素映像图；（e）硅元素映像图；（f）综合元素映像图。（来源：宜特科技
图八：900ºC/20 分钟热处理试片氮化镓和氧化物的EDS 直线浓度变化曲线。（a）分析区域的STEM BF影像；（b）EDS 内建程式计算的直线浓度变化曲线；（c）经自我校正定量法校正后的直线浓度变化曲线。
第四代半导体材料氧化镓、金刚石、氮化铝等，主要是指氧化镓。氧化镓、金刚石也是被BSI限制出口的材料。
氮化铝和金刚石主要问题是掺杂比较难，氧化镓的P型掺杂也比较难。相比第三代的材料，氧化镓能做成大的块状晶体，同尺寸下是碳化硅成本的1/3或更低。
氧化镓没有P型，就无法制造高性能的MOS管，这是影响市场应用的地方。目前，国内P型有一定的解决方案，还不成熟。日本在氧化镓方面技术领先，主要是NCT、Flosfia公司。
氧化镓P型一旦突破，很大程度上可以替代碳化硅。难在难在工艺。
这是俺论文的第一部分，希望对你用！！！！！1.1 国内外温度检测技术研究现状
温度是在工业、农业、国防和科研等部门中应用最普遍的被测物理量。有资料表明，温度传感器的数量在各种传感器中位居首位，约占50%左右。因此，温度测量在保证产品质量，提高生产效率，节约能源，安全生产，促进国民经济发展等诸多方面起到了至关重要的作用。
1.1.1 常用的温度测量方法
根据测温方式的不同，温度测量通常可分为接触式和非接触式测温两大类。
接触式测温的特点是感温元件直接与被测对象相接触，两者进行充分的热交换，最后达到热平衡，此时感温元件的温度与被测对象的温度必然相等，温度计就可据此测出被测对象的温度。因此，接触式测温一方面有测温精度相对较高，直观可靠及测温仪表价格相对较低等优点；另一方面也存在由于感温元件与被测介质直接接触，从而影响被测介质热平衡状态，而接触不良则会增加测温误差；被测介质具有腐蚀性及温度太高亦将严重影响感温元件性能和寿命等缺点。根据测温转换的原理，接触式测温又可分为膨胀式、热阻式、热电式等多种形式。
非接触式测温的特点是感温元件不与被测对象直接接触，而是通过接受被测物体的热辐射能实现热交换，据此测出被测对象的温度。因此，非接触式测温具有不改变被测物体的温度分布，热惯性小，测温上限可设计的很高，便于测量运动物体的温度和快速变化的温度等优点。两类测温方法的主要特点如下表1.1所示。
表1.1 两种测温方法的主要特点
方式 接触式 非接触式
测量条件 感温元件要与被测对象良好接触；感温元件的加入几乎不改变对象的温度；被测温度不超过感温元件能承受的上限温度；被测对象不对感温元件产生腐蚀。 需准确知道被测对象表面发射率；被测对象的辐射能充分照射到检测元件上。
测量范围 特别适合1200度、热容大、无腐蚀性对象的连续在线测温，对高于1300度以上的温度测量比较困难。 原理上测量范围可以从超高温到超低温。但1000度以下，测量误差比较大，能测运动物体或热容小的物体温度
精度 工业用表通常为1.0、0.5、0.2、0.1级，实验室用表可达0.01级。 通常为1.0、1.5、2.5级
响应速度 慢，通常为几十秒到几分钟 快，通常为2-3秒钟
其他特点 整个测温系统结构简单、体积小、可靠、维护方便、价格低廉。仪表读数直接反映被测物体温度，可方便的组成多路集中测量与控制系统。 整个测量系统结构复杂、体积大、调整麻烦、价格昂贵；仪表读数通常反映被测物体表面温度（需进一步转换）；不易组成测温控温一体化的温度控制装置。
从温度检测使用的温度计来看，主要包括以下几种：
1．利用物体热胀冷缩原理制成的温度计
利用物体热胀冷缩制成的温度计分为如下三大类：
(1)玻璃温度计：利用玻璃感温包内的测温物质(水银、酒精、甲苯、油等)受热膨胀、遇冷收缩的原理进行温度测量。
(2)双金属温度计：采用膨胀系数不同的两种金属牢固粘合在上一起制的双金属片作为感温元件，当温度变化时，一端固定的双金属片，由于两种金属膨胀系数不同而产生弯曲，自由端的位移通过传动机构带动指针指示出相应温度。
(3)压力式温度计：由感温物质(氮气、水银、二甲苯、甲苯、甘油和沸点液体如氯甲烷、氯乙烷等)随温度变化，压力发生相应变化，用d簧管压力表测出它的压力值，经换算得出被测物质的温度值。
2．利用热电效应技术制成的温度检测元件
利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛的温度检测元件。热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点。常用的热电偶有以下几种。
(1)镍铬一镍硅，型号为WRN，分度号为K，测温范围0-900℃，短期可测1200℃。
(2)镍铬—康铜，型号为WRK，分度号为F，测温范围0-600℃，短期可测800℃。
(3)铂铑一铂，型号为WRP，分度号为S，在1300℃以下的使用，短期可测1600℃。
(4)铂铑3旺铂铐6，型号为WRR，分度号为B，测温范围300-1600℃，短期可测1800℃。
3．利用热阻效应技术制成的温度计
用热阻效应技术制成的温度计可分成以下几种：
(1)电阻测温元件，它是利用感温元件(导体)的电阻随温度变化的性质，将电阻的变化值用显示仪表反映出来，从而达到测温的目的。目前常用的有铂热电阻和铜热电阻。
(2)半导体测温元件，它与热电阻的温阻特性刚好相反，即有很大负温度系数，也就是说温度升高时，其阻值降低。
(3)陶瓷热敏元件，它的实质是利用半导体电阻的正温特性，用半导体陶瓷材料制作而成的热敏元件，常称为PCT或NCT热敏元件。PCT热敏分为突变型及缓变型二类。突变型PCT元件的温阻特性是当温度达到顶点时，它的阻值突然变大，有限流功能，多数用于保护电器。缓变型PCT元件的温阻特性基本上随温度升高阻值慢慢增大，起温度补偿作用。NCT元件特性与PCT元件的突变特性刚好相反，即随温度升高，它的阻值减小。
4．利用热辐射原理制成的高温计
热辐射高温计通常分为两种。一种是单色辐射高温计，一般称光学高温计；另一种是全辐射高温计，它的原理是物体受热辐射后，视物体本身的性质，能将其吸收、透过或反射。而受热物体放出的辐射能的多少，与它的温度有一定的关系。热辐射式高温计就是根据这种热辐射原理制成的。
1.1.2 国内外温度检测技术现状及发展趋势
近年来，在温度检测技术领域，多种新的检测原理与技术的开发应用，已经取得了重大进展。新一代温度检测元件正在不断出现和完善，它们主要有以下几种：
1．晶体管温度检测元件
半导体温度检测元件是具有代表性的温度检测元件。半导体的电阻温度系数比金属大l~2个数量级，二极管和三极管的PN结电压、电容对温度灵敏度很高。基于上述测温原理己研制了各种温度检测元件。
2．集成电路温度检测元件
利用硅晶体管基极一发射极间电压与温度关系(即半导体PN结的温度特性)进行温度检测，并把测温、激励、信号处理电路和放大电路集成一体，封装于小型管壳内，即构成了集成电路温度检测元件。目前，国内外也进行了生产。
3．核磁共振温度检测器
所谓核磁共振现象是指具有核自旋的物质置于静磁场中时，当与静磁场垂直方向加以电磁波，会发生对某频率电磁的吸收现象。利用共振吸收频率随温度上升而减少的原理研制成的温度检测器，称为核磁共振温度检测器。这种检测器精度极高，可以测量出千分之一开尔文，而且输出的频率信号适于数字化运算处理，故是一种性能十分良好的温度检测器。在常温下，可作理想的标准温度计之用。
4．热噪声温度检测器
它的原理是利用热电阻元件产生的噪声电压与温度的相关性。其特点如下：
(1)输出噪声电压大小与温度是比例关系；
(2)不受压力影响；
(3)感温元件的阻值几乎不影响测量精确度；
因此，它是可以直接读出绝对温度值而不受材料和环境条件限制的温度检测器。
5．石英晶体温度检测器
它采用LC或Y型切割的石英晶片的共振频率随温度变化的特性来制的。它可以自动补偿石英晶片的非线性，测量精度较高，一般可检测到0.001℃，所以可作标准检测之用。
6．光纤温度检测器
光纤温度检测器是目前光纤传感器中发展较快的一种，己开发了开关式温度检测器、辐射式温度检测器等多种实用型的品种。它是利用双折射光纤的传输光信号滞后量随温度变化的原理制成的双折射光纤温度检测器，检测精度在士1℃以内，测温范围可以从绝对0℃到2000℃。
7．激光温度检测器
激光测温特别适于远程测量和特殊环境下的温度测量，用氮氖激光源的激光作反射计可测得很高的温度，精度达l%；用激光干涉和散射原理制作的温度检测器可测量更高的温度，上限可达3000℃，专门用于核聚变研究但在工业上应用还需进一步开发和实验。
8．微波温度检测器
采用微波测温可以达到快速测量高温的目的。它是利用在不同温度下，温度与控制电压成线性关系的原理制成的。这种检测器的灵敏度为250kHZ/℃，精度为1%左右，检测范围为20～1400℃。
从以上材料可以看出，当前温度检测的发展趋势组合要集中在以下几个方面：
a．扩展检测范围
现在工业上通用的温度检测范围为一200～3000℃，而今后要求能测超高温与超低温。尤其是液化气体的极低温度检测更为迫切，如10K以下的度检测是当前重点研究课题。
b．扩大测温对象
温度检测技术将会由点测温发展到线、面，甚至立体的测量。应用范围己经从工业领域延伸到环境保护、家用电器、汽车工业及航天工业领域。
C．新产品的开发
利用以前的检测技术生产出适应于不同场合、不同工况要求的新型产品，以满足用户需要。同时利用新的检测技术制造出新的产品。
d．加强新原理、新材料、新加工工艺的开发。
如近来已经开发的炭化硅薄膜热敏电阻温度检测器，厚膜、薄膜铂电阻温度检测器，硅单晶热敏电阻温度检测器等。
e．向智能化、集成化、适用化方向发展。
新产品不仅要具有检测功能，又要具有判断和指令等多功能，采用微机向智能化方向发展。向机电一体化方向发展。
1.2课题的工程背景
在工业领域，温度、压力、流量是最常见的三大被检测的物理参数，其中最广泛的还是温度量的测量，随着电子技术、计算机技术的飞速发展，对现场温度的测量也由过去的刻度温度计、指针温度计向数字显示的智能温度计发展，而且，对测量的精度要求也越来越高。当然，对不同的工艺要求，其测量的精度要求不尽相同，这些是显而易见的，譬如，在测量电机的轴温时，可能测量的允许差达l℃以上，但在某些场合，温度的检测与控制需要达到很高的精度。以化工生产中联碱行业为例，联碱外冷器液氨致冷技术作为80年代中期化工部重点推广的技改项目之一，已被各联碱厂相继采用，并在生产实践中得到不断改进，已成为业内公认的一项成熟、有效的节能降耗技术。但至今仍存在外冷器生产能力偏低、运行周期短和节能效果不理想等问题。而外冷器进出口母液温差是影响外冷器生产能力和运行周期的一个重要因素，从长期的生产经验看，混合溶液每次流经外冷器时，进、出口温差以0.5℃为宜。因此，精确测量与控制通过外冷器混合溶液的进、出口温差是指导该生产工艺的一个重要环节。
事实上，由于精度要求较高，在实际生产中该环节的温差测控问题一直没能得到很好解决。经调研知，在全国范围内几乎所有化工集团的联碱行业的生产情况都如此，他们迫切希望能解决这一问题。在其它许多场合(如发酵工艺)中，温度的准确测量与控制同样具有相当强的实践指导作用。目前，虽然国内外已有很多温度测控装置，但温度测量的精度达到0.5℃，并能适用于类似制碱工艺要求的外冷器低温差的精确检测与控制在国内尚属空白。该课题的研究能实现外冷器温差的高精度检测与控制，可推广应用到其它化工生产过程及其相关领域中需要对温差与温度进行高精度实时测控的场合。因此，研发高精度温度与温差测控系统具有很好的应用前景。
李永钦的粉丝叫西珍妮。
NCT的官方粉丝名是NCTzen，NCTzen不好念所以中国粉丝们又另外起了一个小名Czeni，谐音音译就是西珍妮。Czeni等于seasony（季节），所以西珍妮寓意NCT和NCTzen四季都在一起。
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