實驗與數據觀察

我們使用分子束磊晶（Molecular Beam Epitaxy, MBE）在（001）方向的砷 化鎵基板上準備了高密度量子點試片，樣品編號分別為 LM3722、LM3802。樣 品 LM3722 使用As₄在2.8×10⁻⁵Torr下成長2.4ML砷化銦量子點，長晶速率為 件與裡層量子點長晶溫度、壓力相同，因此可以藉由原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy, AFM）觀測表層量子點推估裡層量子點的密度與大小，【圖 二-五至 圖 二-十】。裡層量子點發光情形則可藉低溫下（20K）光激發螢光系統得知【圖 二-十一至圖 二-十三】。

圖 二-四 磊晶結構圖

由左至右分別是 LM3722、LM3802 與 LM4414

Al0.3Ga0.7As ~30nm In0.5Ga0.5As~10ML

GaAs ~50nm GaAs ~150nm Al0.3Ga0.7As ~30nm

GaAs ~70nm

In0.5Ga0.5As~10ML GaAs ~150nm

Al0.3Ga0.7As ~20nm GaAs ~10nm GaAs ~150nm Al0.3Ga0.7As ~20nm

GaAs ~20nm

InAs~2.6ML InAs~2.6ML

GaAs ~150nm

Al0.5Ga0.5As ~10nm GaAs ~10nm Al0.2Ga0.8As ~50nm

GaAs ~100nm

InAs~2.4ML InAs ~2.4ML

Al0.2Ga0.8As ~50nm Al0.5Ga0.5As ~10nm

GaAs ~100nm GaAs ~20nm

圖 二-五 LM3722 AFM 圖 量子點密度約為3.25×10¹¹/cm²

圖 二-六 LM3722 量子點直徑 量子點平均直徑約為 11.72nm

圖 二-七 LM3802 AFM 圖 量子點密度約為3.63×10¹¹/cm²

圖 二-八 LM3802 量子點直徑 量子點平均直徑約為 15.63nm

圖 二-九 LM4414 AFM 圖 量子點密度約為4.12×10¹⁰/cm²

圖 二-十 LM4414 量子點間距 量子點平均直徑約為 27.34nm

圖 二-十一 LM3722 變激發光功率 PL

高密度量子點 PL 在光激發功率為 1mW 時尚無激發態出現

圖 二-十二 LM3802 變激發光功率 PL

高密度量子點 PL 在光激發功率為 1mW 時尚無激發態出現

圖 二-十三 LM4414 變激發光功率 PL

低密度量子點 PL 在光激發功率為 1mW 時隱約有激發態出現

第二項 實驗數據觀察

由 AFM 與 PL 可以整理得到如下資訊。LM3722 與 LM3802 的量子點密度相 當，分別為3.25×10¹¹/cm²與3.63×10¹¹/cm²，量子點基態（Ground State, GS）

光譜峰值在氬雷射線功率為 10uW 時分別為 1261.8meV 與 1168.7meV；LM4414 的量子點密度較前兩者低，為4.12×10¹⁰/cm²，量子點基態光譜峰值在氬雷射線 功率為 10uW 時為 1163.2meV。

低溫下，觀察不同氬雷射線功率下試片的 PL，可以發現光譜波峰位置會隨 著氬雷射線功率增高而往高能量移動，我們將此現象稱作波峰的『藍移現象』

（Blue Shift）；在高量子點密度的試片 LM3722 與 LM3802 裡，光譜峰值隨著氬 雷射線從 10uW 到 5mW 分別往高能量移動了 14.1meV 與 10.7meV；低量子點密 度的試片 LM4414，由於在氬雷射線功率超過 5mW 時量子點已經出現第一激發 態（1^st Excited State），可由歸一化後的 PL 圖看出在高能量區已出現不對稱，【圖 二-十四】。在此我們僅探討第一激發態出現之前光譜峰值移動的情況，光譜峰值

位置在氬雷射線功率從 10uW 到 1mW 往高能量移動了 4.7meV（而 LM3722 與 LM3802 在氬雷射線功率從 10uW 到 1mW 分別往高能量移動了 7.5meV 與

5.1meV）。將光譜峰值能量位置對氬雷射線功率作圖，並對氬雷射線功率（X 軸）

取對數，可得到一斜直線，如【圖 二-十五】，由此可看出 PL 頻譜波峰藍移效應 的特性。

從上面的數據我們可以發現光譜峰值隨著雷射功率增強的藍移現象不僅和 試片量子點密度有關，更與量子點基態能量的高低有關；量子點密度越密、基態 能量越高的試片，光譜峰值的藍移現象越明顯。

PL 半高寬（Full Width at Half Maximum, FWHM）則隨著氬雷射線功率增高 而增加，【圖 二-十六】。由歸一化的 PL【圖 二-十七至圖 二-十九】及【圖 二-二 十至圖 二-二十二】可知，10uW 到 5mW 氬雷射線下的 PL 半高寬圖，在 LM3722 與 LM3802 高量子點密度的試片，PL 波形低能量區半高寬（Low Energy Side FWHM, LES FWHM）僅有少於 5meV 的變動，高能量區半高寬（High Energy Side FWHM, HES FWHM）則有約 20meV 的變化，這表示低能量區量子點內不論何 種激發光功率持續有電子電洞對輻射復合（Radiative Recombination）發光，高 能量區量子點則在高激發功率時才有較多的電子電洞對輻射復合發光。至於 LM4414 低量子點密度的試片，在第一激發態（1^st Excited State）出現之前（1mW 氬雷射線以下），PL 波形低能量區半高寬與高能量區半高寬位置的移動皆少於 5meV，這表示不管何種功率下的氬雷射線，低能量區量子點與高能量區量子點 的貢獻相當。

上述試片相關之量子點密度、基態能量峰值、半高寬等資料整理如【表 二-一】。

圖 二-十四 LM4414 歸一化 PL 在氬雷射線功率高於 1mW 時有激發態出現

圖 二-十五 20K 下 PL 波峰對功率對數圖 可看出 PL 波峰對功率對數圖為一斜直線

圖 二-十六 20K 下 PL 半高寬對功率圖 隨著光激發功率的增加，頻譜半高寬也隨之增加

圖 二-十七 LM3722 歸一化 PL

隨著光激發功率的增加，高能量區量子點開始發光

圖 二-十八 LM3802 歸一化 PL

隨著光激發功率的增加，高能量區量子點開始發光

圖 二-十九 LM4414 歸一化 PL

隨著光激發功率的增加，高能量區量子點開始發光

圖 二-二十 LM3722 半高寬對功率圖

可知半高寬隨功率增加的主因來自於高能量區的量子點發光

圖 二-二十一 LM3802 半高寬對功率圖

可知半高寬隨功率增加的主因在於高能量區的量子點發光

圖 二-二十二 LM4414 半高寬對功率圖

Density 3.25E11 3.63E11 4.12E10 ) 峰的『藍移現象』越明顯；此外，低能量區半高寬（LES FWHM）變激發光功率時僅改變 2~2.5meV，

高能量區半高寬（HES FWHM）則有 11.7~12.4meV 的改變，說明在激發光低功率時由低能量的 量子點發光主導，高功率時高能量區的量子點才開始發光。