原子力顯微鏡工作模式

一般 AFM 模式依工作距離如圖 2.5(b)分為：

(1)接觸式(contact mode)：利用排斥力，一般的接觸式量測，探針和試片材料 間的作用力約為 0.1nN ~ 100nN 之間，但是當掃描的接觸面積極小時，容易 形成過大的作用力損壞探針與試片。

(2)非接觸式(non-contact mode)：利用吸引力，一般而言，AFM 在大氣中操作，

試片表面會吸附一層水膜，對於距離的變化較不靈敏，解析度差。

(3)間歇式接觸或稱輕拍式(tapping mode)：操作在前二者之間，有不錯的解析 度，也較不會刮傷樣品，我們採用此模式。

2.3.3.5 原子力顯微鏡設備簡介

本實驗所採用的原子力顯微鏡原為Digital Instruments(DI)公司生產(現為 Veeco Instruments公司)的Dimension 3100 機型，如圖 2.5(c)所示，原子力顯 微鏡的主要結構可分為探針、探針懸臂樑、一組雷射光學設備、掃描控制器 (scanning head)、回授電路、防震系統，以及控制用電腦等。掃描控制器包含 壓電材料掃描器(PZT scanner)、探針針座以及偏移偵測器(deflection

sensor)。其中偏移偵測器包含一個雷射二極體、一面反射鏡面，以及極高靈敏 度的位置感測器(PSPD)。

第三章

摻入銻(Sb)量子點之光性 PL 量測與 AFM 量測及分析

3.1 摻入銻(Sb)量子點與一般量子點 PL 比較

首先最重要的問題為判斷訊號來源，圖3.1(a)與3.7(c1)各為Dots-in-well 量子點[42]與摻入銻量子點的變溫PL圖，如圖3.1(a)一般傳統量子點，我們將長 波長的訊號認定是基態(Ground State)載子所放射，較短波長的是激發態

(Excited State)載子所放射，這兩個能態的放射強度隨著溫度有著同步上下的 趨勢，即相對於另一能態沒有相對消長現象。相對應的，圖3.7(c1)的兩個訊號 放射強度隨著溫度有明顯的相對消長現象，我們因此懷疑這二能態並非基態與激 發態的關係。接著同樣樣品，我們見室溫300K變功率PL圖，圖3.1(b)一般量子點 隨著雷射激發功率的增加，有愈來愈多的光子打入樣品，產生更多的電子電洞 對，使低能量長波長的基態有填滿，轉填高能量短波長的激發態，即隨著功率有 相對消長現象。相對應的圖3.5(c1) 摻入銻Sb量子點兩個能態的放射強度隨著功 率有著同步升降的趨勢。接著我們將圖作正規化(Normalization)的動作，也就 是將長波長的訊號強制調整成相同強度，如圖3.2與3.5(c2)，更明顯的看出一般 量子點基態與激發態對功率的相對消長現象，然而更意外的是摻入銻Sb量子點的 二個訊號竟然重合在一起。至此推測應該是有兩群量子點發光，加大功率變成是 各填各的能態，導致光譜強度同步升降。參考文獻[38]，InAsSb三元合金有相分 離(phase seperation)現象，在我們的長晶條件下，認為應該也會發生相分離現 象。因此假設能帶圖，如圖3.3所示，左方為300K室溫InAs(0.354eV)於 GaAs (1.424eV)的能隙圖，右方為300K室溫InSb(0.17eV)於GaA(1.424eV)s的能隙圖，

內部所標示值分別為為導電帶與價帶能帶平移量(band offset)。當InAsSb量子 點分為InAs-rich與InSb-rich兩群時，前者較接近InAs能帶圖，後者較接近InSb 能帶圖，當Sb的含量增多時，會有能隙減少(0.354→0.17eV)的現象，並且能帶

平移量(band offset)的比例也會變，由△Ec：△Ev約8：2轉為約5：7，即平移 量原來主要降於傳導帶轉為主要降於價帶。此外量子侷限效應與量子點尺寸有很 大的關係，量子點尺寸若約略等於電子的物質波波長或是塊材激子(exciton)的 波耳半徑，電子就會有量子侷限效應，對GaAs來說，約25nm的尺寸會有量子侷限 效應。對於大顆的量子點其量子侷限效應不佳，因此較容易跑脫。

3.2 低溫25K變功率PL分析

圖3.4為25K變功率PL圖，摻入銻Sb量子點長晶厚度分別為(a1)2.0ML (b1)2.2ML (c1)2.8ML，同樣將長波長的訊號訊號調整成相同強度，分別為

(a2)2.0ML (b2)2.2ML (c2)2.8ML。低溫載子熱動能少，容易停留於原來的能態，

不容易跑脫，侷限效果好，因此我們可用低溫的結果推估量子點的成長情形。

首先低溫的重合性極佳，充分驗證這是兩群量子點，分別為短波長InAs-rich與 長波長InSb-rich。

從訊號個數來看，除了2.0ML只有一個訊號外，其他皆為兩個訊號。以下有 三個原因會造成只有一個訊號：

(1)缺乏Sb：由於磊晶發現有表面活化效應(surfactant effect)，這表示Sb 充分使用於二維結構成長，因此量子點2.0ML初步形成時，Sb並沒有足夠的量可 以生成很多InSb-rich量子點，以至於訊號微弱。

(2)能階重合：量子點2.0ML初步形成時，由於剛成核完畢，量子點都很小顆，

雖然均勻性不佳，可是其三個維度的尺寸都不大，推估電子對三個維度都受到空 間的侷限，導致在低溫侷限效果特別好，不論是哪一群量子點能階都被侷限在很 高的能量，所以能階重合分不開來。而且由於三維侷限良好，雖然能量高卻沒有 載子跑掉的情形，也就是載子捕捉能力強，這我們可由PL的強度良好得到證實。

(3)相分離：在二維結構就已經產生Sb的相分離，加上表面活化效應，使得 Sb含量較多的一群形成三維結構更加延遲，量子點較慢形成。故為了判斷量子點 形成的2.0ML樣品，只觀察到Sb含量較少先形成的量子點。

從波長來看，不論是InAs-rich或InSb-rich都有隨磊晶厚度增加而增加的趨 勢，這表示量子點都有長大顆。詳述如下：

(1)短波長InAs-rich：由2.0ML至2.2ML，量子點變稍大，但是半高寬變寬，

這是由於2.0ML是為了判斷何時開始量子點成核，所以導致2.2ML仍有部分小顆量 子點成核形成，使得半高寬變寬，推測量子點數目應該增加，尺寸均勻度不佳，

這與後面AFM的量子點密度增加(表3.1)趨勢符合。再來由2.2ML至2.8ML，波長移 動主要落於此磊晶厚度範圍，半高寬變小，顯示整體InAs-rich量子點一起長大 顆，尺寸較均勻。

(2)長波長InSb-rich：由2.0ML至2.2ML，波長移動主要落於此磊晶厚度範 圍，顯示量子點長大顆。接下來2.2ML至2.8ML，波長移動不大，顯示長大速率較 慢。

從光譜強度與面積來看，光譜強度與面積增加代表量子點數目增加，或是可 容納更多的載子，我們以前者討論之：

(1)短波長InAs-rich：2.0ML到2.2ML強度沒有大變化，面積變大同波長觀點 的解釋，是量子點數目變多，2.8ML反而減少，推估是Sb的持續加入，由於As與 In(Ga)鍵結能量大於Sb與In(Ga)鍵結能量，即Sb比As更容易與In結合[39]，量子 點容易由於Sb加入變成另一群。

(2)長波長InSb-rich：由2.0ML被覆蓋住的小訊號，到2.2ML看的見的訊號，

到2.8ML與InAs-rich訊號約略同強度，之間的解讀我們以量子點密度解釋之。

2.0ML由之前訊號的觀點已經解釋過，是缺乏Sb或較慢形成量子點，2.2MLInSb- rich量子點開始大量形成，2.8ML更多，因此量子點密度與光譜強度明顯提升，

也與AFM趨勢相同。

3.3 室溫300K變功率PL分析

圖3.5為300K變功率PL圖，摻入銻Sb量子點長晶厚度分別為(a1)2.0ML (b1)2.2ML (c1)2.8ML，同樣將長波長的訊號訊號調整成相同強度，分別為

(a2)2.0ML (b2)2.2ML (c2)2.8ML。高溫載子熱動能大，不容易停留於原來的能 態，容易跑脫，侷限效果差，因此我們可用室溫的結果推估載子跑脫的情形與載 子可能的去向。

要注意的是2.0ML，訊號個數有二個與低溫不同，這是因為InSb-rich (0.24

→0.17)的能隙隨溫度變化量比InAs-rich(0.415→0.354)大，加上InSb-rich量 子點尺寸較大，高溫放光波長比較長。

從訊號重合性來看，除了2.0ML外，皆重合良好。2.0ML的圖擁有很像是基態 與激發態的特徵，但我們卻認為是兩群，原因是有低溫變功率與變溫PL圖佐證，

若是基態於低溫應該不會消失，變溫也不應會有相對消長情形。因此我們解釋如 下：由於2.0ML的InSb-rich量子點很少，載子很容易填滿，而轉填InAs-rich，

造成短波長InAs-rich相對光譜強度增加。

從波長位置來看，磊晶厚度愈厚，波長位置愈長，室溫InSb-rich波長變化 如下：2.0ML(1215nm)→2.2ML(1245nm)→2.8ML(1276nm)由於室溫侷限效果差，

已經看不出量子點大小顆的關係了。

從光譜強度與面積來看，隨著磊晶厚度增加，InAs-rich的相對面積愈來愈 小，這是由於量子點密度增加與尺寸長大，量子點之間更容易導通，不論是躍遷 造成，只要路徑導通率增大時，載子就有更大的機會傳遞到InSb-rich量子點。

關於量子點間的傳遞，於下一節討論之。

3.4 變溫PL分析

圖3.7為變溫PL圖，摻入銻Sb量子點長晶厚度分別為(a1)2.0ML (b1)2.2ML (c1)2.8ML，這次將短波長的訊號訊號調整成相同強度，分別為圖3.7(a2)2.0ML (b2)2.2ML與2.8ML二個不同溫度區段(c2)(c3)。

首先討論變化最明顯的2.8ML，如圖3.7(c2)低溫區：兩個訊號強度隨溫度同步升 降，代表兩群量子點各自侷限住本身的載子，量子點間不易傳遞載子，如圖3.3 InAs-rich量子點低溫載子沒有足夠熱動能，不易跑至InSb-rich量子點，各自發

光。到了150K以高溫區(c3)，高溫載子有較大熱動能，不容易侷限在固定位置，

載子更容易跑至高能態量子點，使InSb-rich相對訊號隨溫度逐漸增加，即溫度 愈高，電子愈容易跳至InSb-rich量子點。

上述這些現象也同樣發生於 2.0ML 與 2.2ML 的樣品，如圖 3.7 變溫正規化調 整 PL 圖(a2)2.0ML (b2)2.2ML，值得注意的是不同磊晶厚度，導通溫度不同，2.0ML 起始導通溫度約 250K，2.2ML 起始導通溫度約 150~200K 之間，2.8ML 起始導通溫 度約 120~150K。參考圖 3.6 影響導通率的因素是量子點間距大小，隨著磊晶厚度 增加，量子點密度增加與尺寸變大，使得量子點間距變小，位能障厚度減小，穿 透位障所需熱動能變小，因此所需開始導通的溫度更低。

半高寬隨溫度變化如圖3.8所示，2.0ML與2.2MLInAs-rich量子點，半高寬隨 著溫度增加有下降的趨勢，這是因為穿隧效應高能階電子往低能階重新分佈，能 階分佈變得更集中，因此半高寬下降。溫度再高，InAs-rich半高寬會上升而 InSb-rich半高寬會下降，這是由於載子由InAs-rich量子點移動至InSb-rich量 子點，前者載子量變少，相對半高寬變大；後者載子量變多，相對半高寬變小。

整體來說，2.8ML擁有最小的半高寬。

3.5 Atomic Force Microscope(AFM)分析

由圖3.9 AFM平面圖與圖3.10 AFM 3D圖，我們可以看到不論(a)2.0ML (b)2.2ML (c)2.8ML 各磊晶厚度，均有很明顯的兩群大小不同的量子點。我們將 大尺寸的視為InSb-rich，小尺寸的視為InAs-rich，並將兩群量子點區分出來，

詳如表3.1 表3.1

ML 直徑 InAs-rich(小) 直徑 InSb-rich(大) 顆數比 總顆數 2.0 15~40nm 180~190顆 ~50nm ~4顆 ~46 184~194 2.2 20~45nm 220~230顆 ~60nm ~20顆 ~12 240~250 2.8 45~55nm 170~190顆 ~65nm ~37顆 ~4.8 207~227

從顆數來看，2.0ML大顆的數目非常少，原因同PL解釋，顆數比差最多。2.2ML

從顆數來看，2.0ML大顆的數目非常少，原因同PL解釋，顆數比差最多。2.2ML