第四章 實驗結果及討論與分析
4.4 室溫微光激發微米捲管量測光譜及其光學特性分析
雖然在低溫下量測可避免熱擾動等因素影響捲管發光特性，但是要發展可實際應用 的半導體雷射，必須在室溫條件下也能量測到捲管元件的清晰共振模態。之前只能在低 溫下量測，是因為量子點在室溫下的發光強度都太弱，而且發光波段發光波段約在1.2μm，
超過了 Si CCD 光偵測器的偵測波段(小於 1050nm)，而偵測範圍大於 1050nm 的 InGaAs 光偵測器其量子效率又更低，因此也無法量測到訊號。若要在室溫下量測，樣品必須在 室溫之下發光波段小於 1050nm，或是要有足夠強的發光強度，再搭配鎖相放大器 (Lock-in amplifier)的使用，才能夠使用 InGaAs 光偵測器量測到訊號。因此我們改良樣 品 Lm5161 的磊晶結構，在量子點所在的 GaAs 層上下方又多成長了 AlGaAs 層來局限 載子(Carrier)，以提高量子點的發光效率。對樣品 Lm5161 作光激發螢光量測，可發現 室溫下的量子點發光效率的確明顯提高，實驗結果已詳述於 4.2 小節。
根據 4.3.3 小節的實驗結果，我們發現直接在樣品基板上蝕刻足夠深度的溝槽，就 可以明顯改善漏光置基板的問題。然而在捲管製程中增加了基板蝕刻的步驟，就等同在 蝕刻出來的基板溝槽處又另外開了一道蝕刻起始窗口，使得我們在進行選擇性蝕刻時，
蝕刻溶液會更加容易由基板溝槽處滲入並蝕刻 U 型淺層蝕刻圖樣下的犧牲層，造成捲管 可能會由 U 型的側邊捲起，甚或是將捲管整個掀起並流失於蝕刻液當中，而大幅地降低 了捲管製作的成功率。為了避免此情形，參考文獻[11]中有使用鍍 SiN 於基板蝕刻溝槽 邊緣來阻擋選擇性蝕刻液的方式，而在本實驗中我們則是嘗試將金屬鍍於 U 型淺層蝕刻 圖樣的兩邊，以減低應變雙層薄膜被蝕刻掀起的情形。我們發現此種方式同樣能有效的 大幅提升捲管製作成功率，利用樣品 Lm5161 所製作出的捲管影像如圖 4.4.1 所示。
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圖 4.4.1 蝕刻基板的懸空微米捲管光學顯微影像【樣品 Lm5161】
(a)蝕刻基板的樣品 (b)溝槽旁加鍍金屬的樣品
圖 4.4.2 即為在室溫條件下使用 He-Ne 雷射作激發光源，並利用微光激發螢光量測 系統來量測同一樣品上的同一根捲管，在不同單光儀狹縫大小以及不同解析度下得到的 量測結果。我們發現在室溫下對捲管作微光激發螢光量測，捲管的量子點訊號可以明顯 測得，而且可以量測到捲管的光學共振模態，再次驗證了改善磊晶結構的樣品確實可適 用於室溫量測。
由圖 4.4.2 可發現光學共振模態的訊號強度相較於背景值大了很多，因此可以測得 清晰明顯的共振訊號。同時，根據擬合結果可發現共振模態的半高寬僅約 1nm，而由於 量測光譜的解析度僅有 1nm 與 0.5nm，實際模態的半高寬很可能會更小。而共振模態的 Q 值約為 1000 左右。因此我們認為利用樣品 Lm5161 所製作出的捲管其光學特性十分 良好，有機會達到雷射的條件。因此對於同一根捲管的量測，我們慢慢改變 He-Ne 雷射 的激發功率來作變功率的光譜量測，經數據處理即可得到其 L-L 曲線圖。
如圖 4.4.2(a)所示，當我們在作微光激發螢光量測時，狹縫開較大時訊號會較強，
但是解析度也較差，對於要作 L-L 曲線圖較不準確，因此我們再嘗試關小狹縫使解析度 提高，以得到較為準確的共振模態半高寬，其量測結果如圖 4.4.2(b)所示。但是當狹縫 關小時，因為訊號減弱很多，在低功率的雷射光源激發下量測不到光學共振模態，因此 L-L 曲線圖仍然無法準確得到以證明捲管達到雷射的條件。
在表 4.4.1 中，我們比較了在不同條件下，對同一根捲管所作的兩次微光激發螢光 量測光譜的結果。我們發現即使是量測在同一片樣品上的同一根捲管，其光學特性仍會
(a) 由 U 形側邊 捲起的薄膜
(b)
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因不同次的量測而有所差異，顯示捲管發光特性可能會因為量測時的微小變動而受影響，
例如雷射光照射捲管的位置變動，或是收光物鏡的焦距有作微調等等。但是儘管捲管的 光學特性有所變動，例如主要發光模態的位置會有偏移的現象，但是最後經計算得到的 半導體捲管等效折射率仍然具有高度的一致性。
1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 0.00
PL Intensity (a.u.)
Wavelength (nm)
0.09uW power dependent
1182nm
FWHM~1.14 Q~1035
1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 -0.010
PL Intensity (a.u.)
Wavelength (nm)
1.7uW power dependent
1148nm
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表 4.4.1 捲管在不同量測條件下測得光譜的等效折射率分析【樣品 Lm5161】
量測條件 狹縫大小 1mm
解析度 1nm
狹縫大小 0.3mm 解析度 0.5nm
量子點發光波長λ (nm) 1040 1050
捲管直徑實驗值D (μm) 8.745 8.745 模態間峰值位置差值Δλ (nm) 13.57 13.8
半導體捲管的等效折射率 neff 3.486 3.488
量測完成後，我們對微光激發螢光變功率量測光譜中訊號較強的主要模態去作積分，
求得其輸出功率的強度，再對雷射入射功率作圖。圖 4.4.3(a)即為針對圖 4.4.2(a)中波長 為 1182nm 的模態所作的 L-L 曲線圖，由圖中可發現在高功率的雷射激發下，捲管發光 的功率強度呈現飽和的現象，我們推測是因為構成捲管的薄膜在高功率雷射照射下會累 積熱能，而使發光功率受到熱效應的影響而減低。因此我們又另外針對在較低功率雷射 激發下的量測光譜作 L-L 曲線圖，如圖 4.4.3(b)所示。根據去除了受熱效應所影響的量 測數據後所得到的 L-L 曲線圖，顯示出捲管發光功率與雷射入射光源功率仍然是呈線性 的關係，而在入射光功率很小時便無法量測到清晰的共振模態，因此無法準確地找出 L-L 曲線圖中的閥值(threshold)。儘管由 L-L 曲線圖中無法找到準確的閥值，但是藉由分 析在不同入射功率下所測得的模態的半高寬變化，我們仍然可以大約去推估閥值的位置。
由於在入射光功率很小時，量測到的共振模態訊號與背景訊號大小很相近，因此在分析 模態半高寬時會出現無法準確擬合模態訊號的情形，可能會擬合到背景訊號因此半高寬 的數值會很大。擬合的半高寬對入射功率作圖如圖 4.4.3(c)所示，擬合模態半高寬大約 在 1.5nm~2nm 左右，而在入射功率僅有 1.33μW 時因共振模態已難以清晰辨認，故擬合 出的半高寬數值較大而不準確。然而如圖 4.4.3(d)所示，在入射功率降低至僅有 2.36μW 時，雖然已經無法準確擬合半高寬的值，但是我們仍然能夠量測到共振模態。圖 4.4.3(e) 則是在較高功率下量測的光譜，可以看到和低功率量測時同樣的共振模態訊號，且訊號 十分清晰並遠高於背景值。因此，我們猜測在入射功率約為 2μW 時，可能就是捲管的
46 自發放射(spontaneous emission)而是受激放射(stimulated emission)，即捲管已經具有雷射 的特性。而半導體微米捲管的雷射閥值極低的原因，是由於微米捲管共振腔體積極小，
1000 1100 1200 1300
PL Intensity (a.u.)
Wavelength (nm) 2.36uW
1167nm 1182nm 1197nm
1000 1100 1200 1300
PL Intensity (a.u.)
Wavelength (nm) 33.3uW 1167nm
1182nm
Linewidth (nm)
Excitation Power (uW)
(a) (b) (c)
0.6 L-L Curve
Integrated Intensity (a.u.)
Excitation Power (uW) peak at 1182nm
0 20 40 60 80 100
1.0 L-L Curve
Integrated Intensity (a.u.)
Excitation Power (uW) peak at 1182nm
Due to heating effect (a) (b)
47
1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300
PL Intensity (a.u.)
Wavelength (nm) 20uW1147.5nm 1161.5nm
1176.5nm
1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300
PL Itensity (a.u.)
Wavelength (nm) 100uW1148nm 1162.5nm
1177nm
0.12 L-L Curve
Integrated Intensity (a.u.)
Excitation Power (uW) peak at 1148nm
20 40 60 80 100
Linewidth (nm)
Excitation Power (uW)
Due to heating effect (a) (b)
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我們也同樣有對圖 4.4.2 中所測量的同一根捲管作低溫 77K 的微光激發螢光量測，
希望在低溫情況下量測，可以降低熱效應對捲管的影響，並使得捲管發光訊號較強而能 夠量測到低激發功率下有共振模態的光譜來作較精確的 L-L 曲線圖，以用來判斷此樣品 是否達到雷射的狀態。圖 4.4.5 即為在低溫 77K 下，用 He-Ne 雷射作激發光源，並使用 InGaAs 光偵測器量測的微光激發螢光變功率光譜(單光儀狹縫大小 1mm，解析度 1nm，
在此僅擷取部分激發功率的量測結果來作圖)。由圖中同樣可看到清晰的光學共振模態，
但是共振訊號相較於背景值的比例並沒有如先前在室溫下量測的好，推測有可能是針對 同一根捲管作多次量測而造成捲管特性改變，或是由於在不同次的量測下量測系統條件 改變所致使。
980 1000 1020 1040 1060 1080 1100 1120 1140 1160 0.0
PL Intensity (a.u.)
Wavelength (nm)
0.44uW 106.7uW
Lm5161_77K power dependent
圖 4.4.5 在低溫 77K，He-Ne 雷射光源激發下的微光激發螢光量測光譜【樣品 Lm5161】
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980 1000 1020 1040 1060 1080 1100 1120 1140 1160
PL Intensity (a.u.)
Wavelength (nm) 0.44uW
1084nm
980 1000 1020 1040 1060 1080 1100 1120 1140 1160
PL Intensity (a.u.)
Wavelength (nm)
106.7uW 1083nm
(d)
L-L Curve
Integrated Intensity (a.u.)
Excitation Power (uW) peak at 1083nm
0 20 40 60 80 100 120
Linewidth (nm)
Excitation Power (uW)
(b) (a)
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在低溫 77K 下，我們也嘗試在光譜儀狹縫大小 0.1mm，解析度 0.1nm 的極限條件 下量測，當雷射入射功率為 1.6mW 時，我們可以量測到清晰的光學模態，如圖 4.4.7(a) 所示。由於光譜儀狹縫大小僅有 0.1mm，因此只能在高功率雷射激發下測得捲管的共振 訊號，無法在此條件下作完整的變功率光譜量測。然而，高解析度的量測結果仍然可以 使我們得到較為準確的光學共振模態以作進一步的分析，圖 4.4.7(b)即為擬合共振模態 的結果。由於我們發現量測到的光學共振模態有呈現出不對稱的情況，因此嘗試用兩個 勞倫茲函數來擬合同一個共振模態，而擬合結果確實比單一勞倫茲函數的擬核結果來的 準確，我們猜測這是因為共振模態中不對稱的部分包含了不明顯的軸向模態，因此需要 同時擬合軸向模態才能得到較為準確的結果。
根據以上的分析結果，我們發現次級的軸向模態也可能是影響光學共振模態的重要 因素。此外，由於激發捲管的雷射光點大小僅有數微米而已，然而捲管的總長度高達 100μm，懸空於基板的部分也有 20μm，相較於雷射光激發的部分都大的多，可能因此 造成光波在捲管軸向上產生漏光的情形。所以為了提升捲管光學共振模態的特性，如何 在捲管的軸向上對光波作進一步的局限以及探討軸向模態的特性，是值得我們繼續研究 的方向。
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980 1000 1020 1040 1060 1080 1100 1120 1140 1160 0.00
0.02 0.04 0.06 0.08
PL Intensity (a.u.)
Wavelength (nm)
106.7uW Lm5161_77K
0.1mm/0.1nm
1060 1080 1100
0.02
PL Intensity (a.u.)
Wavelength (nm) 106.7uW Fit Peak 1 Fit Peak 2
Cumulative Fit Peak Lm5161_77K
0.1mm/0.1nm FWHM~1.92 Q~556 (fit by one
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