4-1 電子自旋弛豫時間解析光譜實驗架構
四分之一波片：光通過四分之一波片時，光波的電場偏振與快軸平行時傳 播速度較快，而與快軸垂直(與慢軸平行)的傳播速度較慢。偏振方向相互垂直 的兩束光或同一束光的兩個分量，在通過此光學元件時產生相位差若恰等於四 分之一波長時，稱此光學元件為四分之一波片(quarter-wave plate)。四分之一波 片是利用雙折射光學元件之厚度來控制，並且二個電場振動方向產生之相位差 與通過此元件之光波波長有關。
圖 4-1 晶體快軸與慢軸對光波傳遞的影響[19]
以線偏振光入射四分之一波片，當光波的電場極化方向和晶體的光軸面(快 軸 )成θ(θ >00)角，透射光的極化方向為橢圓偏振。當 )
( 4 450 π
θ = or 時，透射的光
為圓偏振光。調整入射雷射極化方向與晶體快軸的夾角，可以產生帶有角動量 的不同光子激發樣品。
σ±
圖 4-2 四分之一波片極化線偏振光為圓偏振光[19]
承襲 Up-conversion 實驗架構，確定雷射波長、光路、非線性晶體角度、合 頻訊號為最佳化，並完成時間解析光譜的測試。
圖 4-3 原始 up-conversion 系統光路圖
在分光鏡 BS1 和聚焦鏡 L3 之間以及收光鏡 AC 和聚焦鏡 L4 之間各別架設 一具四分之一波片 QWP1 和 QWP2 (Quarter-Wave Plate , QWP)。
圖 4-4 在原始 up-conversion 系統光路上架設偏光鏡
QWP1 將雷射(pump beam laser)由原來線性偏振極化為圓偏振，QWP2 則用 以檢測樣品散射螢光(PL)左旋及右旋成分。
圖 4-5 線偏振光與圓偏振光對應四分之一波片關係圖[19]
圖 4-6 電子自旋時間解析系統
4-2 樣品材料及特性
近年來三五族半導體研究不斷開發、成長，而無線通訊產業是最主要的應 用領域，起因於市場對高頻方面的需求，例如人造衛星與行動電話中的快速電 晶體、光纖中傳遞訊息的雷射二極體。但，矽基材只適用低於 1GHz 的頻率，
而砷化鎵除了擁有可大批量產的優勢外，低消耗功率、低環境影響度也是砷化 鎵成為最主要三五族半導體材料的原因。
砷化鎵、砷化銦、磷化鎵、磷化銦……等晶格屬於閃鋅(Zinc Blende)結構 將不同材料的半導體薄膜依先後次序沉積在同一基座上，稱之為半導體異 質結構。若某中間層能階較低，載子容易被侷限在只有幾十埃( )的厚 度裡。在如此小的空間內載子特性深受量子效應的影響，例如基態能量增加、
能階量子化、能態密度改變……等。
m
o 10
10−
= Α
半導體內自由電子主要是由外加雜質所貢獻，因此在一般的半導體材料中 自由電子與雜質碰撞大幅減低其行動能力。然而在異質結構中，可將雜質加在 中間層外的夾層中，雜質所貢獻的電子有機會掉到中間層。藉由自由電子與雜 質在幾何空間分開，電子的行動不會因與雜質碰撞而受限，因此大大增加了其 遷移率(mobility)，提供其成為高速元件的要素。
4-2-1 樣品結構
圖 4-7 樣品 InAs/GaAs 量子點 AFM 圖-I 量子點密度：8.5×1010cm−2
量子點尺寸：高2±0.2nm，直徑20±3.6nm 大顆量子點尺寸：高~6.5nm，直徑~30nm
圖 4-8 樣品 InAs/GaAs 量子點 AFM 圖-II
實驗中的樣品屬於自聚性量子點，使用分子束磊晶(MBE)技術來成長。在 GaAs 的基板上成長 InAs 的量子點。其原理是利用兩材料間晶格常數具有很高 的不匹配性與較低的界面能，磊晶初期 InAs 會以層狀結構方式成長，若磊晶厚 度高於張力所能承受的臨界厚度，薄膜會破裂而產生缺陷。
SK(Stranski-Krastanov)模式自聚性量子點的成長是在薄膜破裂前，島狀物 剛形成時將磊晶的成長停止。以 SK 成長的量子點內無缺陷，因此可得到較佳 的光電特性。
異質介面的能帶分佈以不同的相對關係，可細分為三類。用來作自旋研究 的 InAs/GaAs 量子點樣品是屬於型態 I(type I)的異質結構。其它如 GaSb/GaAs 異質介面屬於型態 II 及 InAs/GaSb 異質介面屬於型態 III。
圖 4-9 半導體型態 I、型態 II、型態 III 異質介面
4-2-2 樣品之光學特性
圖 4-10 室溫下，砷化銦/砷化鎵量子點螢光光譜
圖 4-11 砷化鎵能帶圖
圖 4-12 砷化銦能帶圖
從光譜圖與三—五族半導體材料的能帶圖，可描繪出樣品裡量子點、溼潤層 (wetting layer)和基材(barrier)異質介面間的能帶圖：
圖 4-13 砷化銦/砷化鎵量子點能帶結構