實驗儀器原理

3-1 共焦顯微鏡

3-1-1 光激發螢光光譜（Photoluminescence）

光致螢光分析是在研究半導體的材料特性時，常會使用的分析工 具，它的原理是利用半導體電子電洞對結合放出螢光，藉由分析光譜中 波峰的波長、強度以及其半波寬，可以推斷出樣品本身的組成，結晶性 以及缺陷密度。在實驗中所選擇的激發光源能量必須大於半導體材料的 能隙，而激發光源的選擇則需考慮到其波長是否為連續波、光強度以及 聚焦面積，因為光強度會影響信號收集時的強弱判斷，聚焦面積則會影 響其空間的解析度，在本實驗中，是以 325nm 的氦-鎘雷射（He-Cd Laser）

做為激發光源。

假設半導體的能帶是直接能帶（Direct Bandgap），當激發光源照 射在待測樣品上時，因為入射光子的能量大於待測半導體的能隙，這樣 一來，可以將電子由價帶（Valence Band）激發到傳導帶（Conduction Band）。接下來，在非常短的時間之內，大部份的高階電子（電洞）會 藉由聲子（Phonon）的吸收或釋放，蛻化到傳導帶（價電帶）的最低能 階。之後再藉由電子電洞對的再結合（Electron –Hole Pair

Recombination）而放出螢光，下圖一是相關的示意圖。

圖一 直接能帶半導體之光致螢光示意圖（a）激發（b）蛻化（c）再結 合

而在再結合過程中，可以依照其路徑可分為放射結合路徑

（Radiative Recombination Paths）與非放射結合路徑（Non-Radiative Recombination Paths）。其中放射結合路徑包括（a）導電帶電子與價 電帶電洞再結合躍遷、（b）在施子能階（Donor Level）的電子與價電 帶電洞再結合躍遷、（c）在導電帶的電子與受子能階（Acceptor Level）

的電洞再結合躍遷、（d）在施子能階的電子與受子能階的電洞再結合躍 遷以及（e）自由激子（Free Exciton）的再結合躍遷等方式，圖二為 相關的示意圖。

圖二 放射結合可能路徑示意圖

而非放射結合路徑也有幾種產生機制。系統在兩個能態之間的躍遷 是由於另一系統（或粒子）的能量交換，而非電磁輻射的放射或吸收。

如（a）由熱擾動產生聲子或是（b）在表面態（Surface State）或缺 陷如差排（Dislocation）處產生再結合躍遷，這將會與放射結合路徑 競爭，而對發光效率造成負面的影響。

當半導體樣本的能帶結構屬於間接能隙時，如下圖三所示，此時電 子的躍遷必須藉由吸收或放出聲子使電子獲得動量，就因此，間接能隙 的螢光發光效率會低於直接能隙的螢光發光效率。

圖三、間接能隙半導體電子電洞對的複合（a）為光學吸收，（b）為 螢光放射，電子皆需要吸收或放出聲子來改變波向量。

對於光致螢光系統來說，雖然在分析元件的能隙上有其強大的應用 之處，但是在應用上，這是以光致螢光光學顯微鏡觀測，受限於景深的 關係，這將使得光致螢光光學顯微鏡無法僅觀察樣本的某一斷面，這將 使得光致螢光影像常常顯得一團模糊，無法精確定位出樣本位置。因為 這個原因，所以便有共焦顯微鏡概念的提出。

3-1-2 共焦顯微鏡之原理

共焦一辭是源於顯微鏡的物鏡焦點與成像透鏡（集光鏡）焦點位置 相互對稱，也就是照明點與探測點在光學成像上共軛，兩鏡的焦點同時 落在觀察樣品的表面，如圖四所示之實線。而其中，在偵測器前並有一 組針孔進行空間濾波，當光束聚焦處不為焦平面時，樣品反射後的光束

光偵測處得到極強的光訊號。

圖四、共焦顯微鏡的原理 對於傳統光學顯微鏡來說，其橫向解析度為

^obj

Airy

NA

61

λ ν = ² π ^{r ( NA )}

為正規化的光學單位，

（NA=nsinθ：物鏡的數值孔徑，r 是像平面至光軸的距離，^λ是光波波

長。）

由上式中可以看出來，傳統顯微鏡成像所形成的光斑大小是由物鏡的數 值孔徑所決定，而對於共焦顯微鏡來說，如果物鏡和成像透鏡有相同的 數值孔徑，對軸上點光源所形成的像強度分佈可以描述如下：

4 1( ) ) 2

( ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

=

ν ν

ν

圖五、共焦顯微鏡與傳統顯微鏡對於點狀物所形成的像強度分佈圖 由上圖五中可以看出，相較於傳統顯微鏡來說，共焦顯微鏡所形成 的光斑會比較小，這代表的是，共焦顯微鏡比傳統顯微鏡具備有較高的 平面解析度以及較佳的斷層能力。

另外，在顯微鏡的觀察上，當觀察樣本偏離焦平面時，會產生散焦