低溫微型光致發光(μ-PL)分析

五、量測結果討論與分析 …

5.3 多層量子井微米捲管發光特性

5.3.2 低溫微型光致發光(μ-PL)分析

利用低溫μ-PL 系統量測含量子井層的微米捲管，以分析應變鬆弛程度對量子井發光特性的影響。激發光源為632.8nm 氦氖雷射光，使用液態氮降溫，結合溫度控制器來維持腔體的恆溫為絕對溫度 123K。因為雷射光強度會隨著進入材料的深度而指數衰減，所以主要偵測到外層管壁的訊號，又對於多層的微米捲管而言，愈內層的直徑愈小，應變薄膜的鬆弛程度愈大，所以鬆弛前後的GaAs 量子井訊號的位移量應該愈大。

首先，我們量測了大約 7 圈的量子井微米捲管，其影像與 PL 頻譜如圖 5.3.2.1，雷射光分別激發未應變鬆弛區域與其他三根不同位置的微米捲管，用以判別同一試片下不同根捲管的均勻性。對於未應變鬆弛區域的 PL 頻譜(黑線)，

GaAs 量子井訊號出現於 783nm，訊號很強又細窄的峰值；峰值於 830nm 的胖矮峰為GaAs 基板的訊號，峰中的凹陷推測是水氣吸收造成的，因為量測的腔體未抽真空；峰值 959nm 是 In0.2Ga0.8As 量子井訊號，來自於成長結構的 GaAs/In0.2Ga0.8As/AlAs 量子井層，因 In0.2Ga0.8As 侷限電子的效果很好，所以訊號很強。

圖5.3.2.1(c)和(d)微米捲管光學顯微鏡影像的差別在於，圖 5.3.2.1(c) 微米捲管下方薄膜已皺起，表示 AlAs 犧牲層已被掏空，所以量測捲管上的 PL 頻譜，

將看不到未鬆弛前GaAs 量子井與 InGaAs 量子井的訊號，對應圖 5.3.2.1(a)的捲管2。

圖 5.3.2.1(d) 微米捲管下方薄膜未皺起，表示 AlAs 犧牲層仍存在，所以量測捲管的 PL 頻譜中，未鬆弛前 GaAs 和 InGaAs 量子井的訊號仍存在，對應圖 5.3.2.1(a)的捲管 1 和 2。

表5.3.2.1 量子井微米捲管 PL 頻譜(圖 5.3.2.1) 之數據分析

750 800 850 900 950

In te ns ity (a rb. u.)

Wavelength(nm)

PL {123K, 2mW}

unreleased area on-tube_1

780 800 820 840

0 5000 10000 15000 20000

Intensi ty (arb. u. )

Wavelength(nm)

PL {123K, 2mW}

unreleased area

on-tube_1

圖5.3.2.1(d)為圖 5.3.2.1(a) GaAs 量子井鄰近光譜的放大圖，著重於量子井微米捲管上的光訊號，除了捲管 1 和 2 仍存在未應變鬆弛前的 GaAs 量子井峰值 783nm 外，每個捲管的 PL 光譜都至少多了一個峰值，見表 5.3.2.1，不同根捲管，

其增加的峰值是差不多的，表示同一試片上各處的捲管一致性還不錯。將應變鬆弛前後的峰值位移量轉換成能量差，利用式(5.3)即可計算出對應的殘留應變量，

峰值紅移表示晶格受到拉張應變，同見表5.3.2.1。與理論值相較下，實驗所得到的殘留應變量較小，這是因為理論和實驗的捲管直徑本身就不甚符合，實驗得到的捲管直徑較小，所以殘留的應變量也應當較小，這是合理的。

關於增加的峰值都比較寬胖，這是因使用的激發光源為大功率的雷射光 (2mW)，偵測深度較大，導致許多光訊號互相疊加和干涉而成的，為了得到較單純的量子井微米捲管訊號，於之後的量測降低雷射功率至 0.2mW，確實消減了光訊號互相干涉的效應。

圖 5.3.2.2 為量測懸空式量子井微米捲管的 PL 頻譜，激發的雷射光功率為 0.2mW，激發未應變鬆弛區域、兩端連接基板的捲管與中段懸空的捲管，支柱捲管大約4 圈，懸空捲管約 2.5 圈，圖 5.3.2.2(c)和(d)為懸空微米捲管影像。對於未應變鬆弛區域，GaAs 量子井訊號出現於 782nm，同樣是很強又細窄的訊號；GaAs 基板訊號的寬峰值約在830nm；In0.2Ga0.8As 量子井訊號則在峰值 963nm。

形成後的微米捲管不論懸空與否，GaAs 量子井訊號紅移皆至 793nm，如圖 5.3.2.2(d)，換算成能量差為-0.022eV，表示量子井的晶格受到拉張應變，所以能隙

E 會減小，同理計算得到殘留的拉張應變量為+0.169%，較理論值+0.146%

_g 大，表示拉張應變的程度較理論模擬的數值為大。

懸空捲管的訊號非常強，超過於未應變鬆弛區域的量子井訊號，此外，懸空捲管比未懸空捲管的峰值較窄，因為懸空捲管與基板分離，產生的光訊號比較不會被基板所吸收，而是被侷限於微米捲管內，具有增強光訊號的效果。

表5.3.2.2 懸空量子井微米捲管 PL 頻譜(圖 5.3.2.2)之數據分析

750 800 850 900 950 1000

0 20000 40000 60000

Intensity (arb. u.)

Wavelength(nm)

PL {123K, 0.2mW}

unreleased area on-tube_side

on-tube_suspended

GaAs (sub) InGaAs(QW)

963 782

GaAs(QW)

GaAs (sub)

~830

760 780 800 820 840

Intensity (arb. u.)

Wavelength(nm)

PL {123K, 0.2mW}

unreleased area

on-tube_side

樣品 Lm4915 是磊晶成長於 2009 年 9 月 18 日，於 Al0.4Ga0.6As/

GaAs/Al0.4Ga0.6As 量子井結構之上有覆蓋 2nm GaAs 層，做為保護 Al0.4Ga0.6As 氧化之功用，因含有Al 元素的材料極易氧化，所以成長後的樣品皆置於氮氣櫃中，防止樣品氧化變質。

在一段時間的努力改良製程條件下，於 2010 年 1 月 21 日，再次使用樣品 Lm4915 製作高達 14 圈 (圖 5.3.2.3(b))，甚至 20 圈層(圖 5.1.1(d))且層層緊密貼合的量子井微米捲管，若與成長的樣品(只有一層量子井) 比較，多層量子井捲管的發光特性應該是成倍數加強，於是著手去量測14 圈量子井微米捲管的低溫 PL 光譜，如圖5.3.2.3。

於123K 環境下量測，雷射功率為 0.2mW，由圖 5.3.2.3(a) 發現，於未鬆弛應變區域 (黑細線)，皆未出現 GaAs 量子井的訊號，不過於多層量子井微米捲管 (紅粗線)上，於 793nm 處還是有 GaAs 量子井的訊號，於圖(a-2) 對 GaAs 基板訊號歸一化的PL 頻譜中，更能清楚發現微米捲管上確實有很強的量子井訊號，就如同我們所預期的，PL 頻譜上同時接收到 14 層量子井的訊號，的確加強了樣品本身的發光特性。

不過令我們疑惑的是，為何於未鬆弛應變區域未收集到量子井訊號，推測原因是成長後的樣品，雖然於這半年期間長保存於氮氣櫃中，仍無法避免半導體的自然氧化。結構最上層的GaAs 覆蓋層會自然地氧化，厚度約為 1.5nm [26]，當樣品放置的時間愈久，被氧化的厚度將愈大，使Al0.4Ga0.6As 層露出，又含有 Al 元素的材料更是容易氧化，所以量子井結構被破壞。於捲管形成的選擇性蝕刻(氫氟酸) 步驟，雖然 Al0.4Ga0.6As 的 Al 比例不多，不過經長時間(30 分鐘)的蝕刻後，

仍會蝕刻部分的厚度，使未鬆弛區的量子井結構更是體無完膚。

為驗證此推論的正當性，室溫量測完全未經過製程步驟的成長樣品 (As-grown)與經過一連串捲管製程步驟的未應變鬆弛區域的 PL 頻譜，如圖 5.3.2.3(d)，放置半年後的成長樣品(黑線)，其量子井訊號與剛成長樣品的訊號(未展示出)比較確實削減許多，經製程後的量子井訊號(紅線)更小到無法看見，所以我們的推論確實有一定的正當性。

750 800 850 900 950 1000

0.0

[ process_20100121 ]

[ μ -PL_20100226 ] Normalized to GaAs sub

Intensity (arb. u.)

Wavelength(nm)

PL {123K, 0.2mW}

unreleased area on-tube

【樣品Lm4915】【製程日期 2010/1/21】

(a-1) 14 圈微米捲管 PL 光譜 (a-2)歸一化基板訊號後的 PL 光譜 (b)微米捲管 SEM 影像 (b)成長樣品與經製程後位應變鬆弛區的 PL 光譜

750 800 850 900 950 1000

0 2000 4000 6000

[ process_20100121 ]

[ μ -PL_20100226 ]

In te ns ity (a rb. u.)

Wavelength(nm)

PL {123K, 0.2mW}

unreleased area on-tube

PL {123K, 0.2mW}

unreleased area on-tube

750 800 850 900 950 1000

0.0

Intensity (arb. u.)

Wavelength(nm)

PL { RT, 0.2mW}

as-grown unreleased area GaAs(sub)

(b)

(c)

同一時間，量測了2009 年 9 月 28 日製作的 4 圈微米捲管，如圖 5.3.2.4(b-1)，

750 800 850 900 950 1000

[ process_20090928 ]

[ μ -PL_20091006 ]

Normalized to GaAs sub

Intensity(arb. u.)

unreleased area on-tube

InGaAs(QW) GaAs(sub)

GaAs(QW)

750 800 850 900 950 1000

0 20000 40000 60000

[ process_20090928 ]

[ μ -PL_20091006 ]

Intensity(arb. u.) 963

Wavelength(nm)

PL {123K, 0.2mW}

unreleased area on-tube

750 800 850 900 950 1000

0 10000 20000 30000

965.5 [ process_20090928 ]

[ μ -PL_20100226 ]

Intensity (arb. u.)

Wavelength(nm)

PL {123K, 0.2mW}

unreleased area on-tube

【樣品Lm4915】【製程日期 2009/09/28】

(a-1)量測時間 2009/10/06 PL 光譜 (a-2)歸一化基板訊號後的 PL 光譜 (b)量測時間 2010/02/26 PL 光譜

相較之下，圖 5.3.2.4(b)半年後再量測同一根捲管，此捲管試片僅放置於大氣中。與GaAs 基板的峰值相比，於未應變鬆弛區域的量子井訊號已大幅漸弱，

不過捲管上的量子井訊號仍然很強大。因此，我們下一個小結論，樣品雖置於氮氣櫃中，卻仍敵不過自然氧化的命運，一旦暴露於選擇性蝕刻溶液，氧化層立即被移除，破壞了量子井原本的結構，導致量測到極差的光性。不過，當樣品製作成層層緊貼的多層微米捲管後，雖長時間置於大氣中，其發光特性未有顯著的衰減傾向，如此，表示捲管結構大幅減少了樣品氧化的可能，完善地保護內層的重要結構。

整體來說，不管何時製作捲管或何時量測，由實驗數據，皆能發現多層微米捲管擁有增強量子井的效能，所以我們將能免去成長多層量子井磊晶所需的昂貴成本，轉而求之於微米捲管的製程，即能得到多層量子井結構，而且還能維持初成長樣品時的良好特性。

在文檔中三五族半導體微米捲管及其光電與熱電效應研究 (頁 63-71)

五、 量測結果討論與分析 …

5.3 多層量子井微米捲管發光特性

5.3.2 低溫微型光致發光(μ-PL)分析

In te ns ity (a rb. u.)

Wavelength(nm)

PL {123K, 2mW}

unreleased area on-tube_1

Intensi ty (arb. u. )

Wavelength(nm)

PL {123K, 2mW}

unreleased area

on-tube_1

E 會減小，同理計算得到殘留的拉張應變量為+0.169%，較理論值+0.146%

Intensity (arb. u.)

Wavelength(nm)

PL {123K, 0.2mW}

unreleased area on-tube_side

on-tube_suspended

963 782

~830

Intensity (arb. u.)

Wavelength(nm)

PL {123K, 0.2mW}

unreleased area

on-tube_side

Intensity (arb. u.)

Wavelength(nm)

In te ns ity (a rb. u.)

Wavelength(nm)

(b)

(c)

五、量測結果討論與分析 …