在本實驗中，我們主要的目的是在有機金屬氣相沉積(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition;MOCVD)磊晶實驗中成長 InGaN 量子點，並且 使用相關量測儀器來量測不同中斷成長時間下的 InGaN 量子點，同時搭配 模擬軟體模擬計算出 InGaN 量子點中的 In 含量，希望最後能藉由這些分析 結果來探討 InGaN 量子點成長機制，並且有系統性的歸納這些機制，進而 運用這些機制來控制 InGaN 量子點的尺寸，發射波長和改善其光學性質 。
2-1 實驗設計
我們將會準備 3 片 2＂( 0001)方向的 sapphire 基板，並且用相同的成 長條件如:腔體內氣氛、氣體流量、成長溫度、成長時間、III/V MO (金屬 有機物)來源和 V/III ratio 等等來成長 InGaN 量子點。因為我們主要探討 的成長參數是“中斷成長時間＂，因此當樣品形成 InGaN 量子點後，我們 將立即停止 MO 來源供應，其成長中斷時間分別是 30 秒,60 秒以及 120 秒 。
2-2 實驗步驟
此 實 驗 成 長 InGaN 量 子 點 所 使 用 的 磊 晶 系 統 為 低 壓 直 立 式 的 MOCVD
(Model:EMCORE D75)，原理是利用承載氣體(carrier gas)攜帶某種微量濃
GaN 緩衝層(buffer layer;nucleation layer)。
InGaN 層，直到 InGaN 從 2 維轉變成 3 維量子點 。 成長條件
氣氛 : N2 5 L / min 溫度 : 660 ۫ C
壓力 : 400 torr
TMG : 4.92 µ mol / min TMI : 4.80 µ mol / min
NH3 : 2 L / min V/III : 8300 時間 : 30 秒
E : 中斷成長時間 : 在 InGaN 量子點形成時，停止樣品 MO 來源供應,其 時間分別是 30 秒、60 秒以及 120 秒。
成長條件 氣氛 : N2、NH3 溫度 : 660 ۫ C
2-3 測量儀器介紹
在本論文的樣品分析中，將利用到原子力顯微鏡(AFM)、顯微光激發螢 光量測儀(μ-PL)來進行 InGaN 量子點表面形貌與光性量測，同時也會藉由 SPIP 軟體來量化統計 AFM 量測結果，最後再使用模擬軟體算出量子點中 In 的含量，流程圖如下所示:
圖 2-1 樣品成長流程圖
2-3-1 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope;AFM)
由於量子點奈米級的顆粒大小以及分佈對於其光學特性有很大的影 響， 因此 AFM(Model:PSIA XE-100;側向解析度 2nm，垂直解析度 0.01nm) 不僅可以很方便在一般大氣下操作進而得到量子點的表面形貌，而且也不 需要像電子顯微鏡在量測樣品前所需的繁瑣樣品備製，因此 AFM 為量測量 子點表面形貌的一項非常方便儀器。
2-3-2 AFM 原理及設備架構介紹
圖 2-2 量測測儀器作業流程圖
利用微小探針(長約 2um，直徑小於 10nm)，置於懸臂末端，當探針尖
使得探針必需相當遠離樣品表面，以免探針受到水氣的吸附，而有失真的 現象產生，因此在這個模式下，通常只有約 50nm 的解析度;不過若在真空 環境下操作，除了可避免上述問題外，探針尖端也無損壞問題，因此再掃 秒時，其解析度可達原子級的解析度，可說是 AFM 中解析度最佳的操作模 式。（3）輕敲式：第三種輕敲式 AFM 則是將非接觸式加以改良，其原理係 將探針與樣品距離加近，然後增大振幅，使探針在振盪至波谷時接觸樣品，
由於樣品的表面高低起伏，使得振幅改變，再利用類似非接觸式的迴饋控 制方式，便能取得高度影像，由於其模式能克服水氣問題，因此較為大眾 所常用，不過在操作時須注意振幅的大小設定，以防探針在接觸樣品時，
除了會刺穿樣品表面的可能性之外，亦會造成探針尖端容易磨損，進而降 低所量測的影像品質。
圖 2-3 原子力顯微鏡的基本構造
2-3-3 顯微光激發螢光量測儀(Micro-Photoluminescence ;μ-PL)
光電半導體材料的研究與探討最重要的就是它們的光學特性，而μ-PL 是一種非破壞性量測的重要方法之一。含有量子點的樣品經由μ-PL 量測 後，藉由所得到的光譜其波峰所對應的波長、強度以及半高寬(Full Width at Half Maximum;FWHM)等參數，進而可以知道量子點的發光鋒值以及尺寸 分布等…的物理訊息。
2-3-4 μ-PL 原理及設備架構介紹
所謂的μ-PL 是把激發光的光源縮小至 micron 等級，且照射在待測樣 品上，利用入射光子能量大於半導體材料能隙，將電子由價電子帶( Valance Band;VB)激發到導電(Conduction Band;CB)。如下圖所示:
圖 2-4 原子力顯微鏡的操作模式
大部分的高階電子(電洞)在非常短的時間內，會藉由釋放聲子或其他過程 蛻化至 CB(VB)的最低能階，之後再藉由電子電洞對再結合( electron-hole pair recombination )而發出螢光。而依照其路徑又分為：放射結合路徑 ( radiative recombination paths )，與非放射結合路徑( non-radiative recombination paths );而非放射路徑也有好幾種機制，並會與放射結合 路徑競爭，因而對發光效率造成負面的影響。下圖為基本的輻射能態耦合 示意圖:
圖 2-5 光致螢光示意圖 (a) 激發 (b) 蛻化 (c) 再結合
圖 2-6 輻射耦合躍遷機制示意圖
(a)帶至帶躍遷(Band to Band transition)
電子從導電帶掉進價電帶的電洞，也就是電子電洞對結合產生光子。在直 接能隙( direct bandgap )的半導體中，這種帶和帶之間的躍遷是最普通 的輻射釋放能量的一種過程。
(b)施子至價電帶躍遷 (Donor to Valance Band transition) 位於施子能階上的電子和價電帶上的電洞結合產生光子。
(c)導帶至受子能階躍遷(Conduction Band to Acceptor transition) 位於導電帶上的電子和受子能階上的電洞結合產生光子。
(d)施子-受子對復合(donor-acceptor pair recombination)
施子和受子能階之間的躍遷。再經過光激發後，電子和電洞會被束縛到D+
(e)自由激子躍遷(free exciton transition)
電子和電洞受到庫倫力的吸引而結合在一起，產生稱為激子的載子，之後
(a)因為熱振動而產生聲子。
(b)Trap-assisted recombination：電子陷入介於能隙之間的trap level 這個能階，之後再躍遷至價電帶上。trap level 這個能階通常由外來的原 子(donor or acceptor atom)或晶格缺陷(defect)所造成的，常發生在晶 格的界面(interface)上，通常陷入trap level 這個過程為非發光輻射的 結合。
(c)Auger recombination：這個結合雖然也是發生在價電帶和導電帶之間 的過程，但是結合後的能量釋放是給另一個電子，激發另一個電子至更高 的能階且放射出非幅射能量。下圖為我們μ-PL的setup的簡介:
所使用的光源氦鎘雷射其波長為 325nm，經過面鏡反射，再經過一個 dichroic mirror，並以 100 倍 uv 物鏡聚焦在我們的 sample 上，接下來從 sample 發出的光我們同樣再一次經由 100 倍物鏡收光，且經過 dichroic
圖 2-7 μ-PL 架構圖
mirror(350nm-600nm)，進入 CCD 與光譜儀，最後我們便可利用光譜儀的光 譜信號來分析量子點的發光鋒值等訊息。
2-3-5 SPIP(Scanning Probe Image Processor)AFM 數據分析軟體
由於分佈在 AFM 影像的量子點表面形貌非常的小( ~nm )，且密度也相 當的高( ~1010/cm2 )，因此倘若量子點數據分析的方式是採用一顆一顆的分 析計算，不但會有人為的疏失造成資料的錯誤，且在客觀的分析上很容易 因人而異，因此我們在 AFM 量子點數據處理方面，選用 SPIP 的分析軟體，
來 降 低 上 述 的 問 題 產 生 。 計 算 這 些 量 子 點 參 數 的 方 法 是 採 用 所 謂 的
『Threshold Segmentation Method』，這樣的偵測方式可以比喻成將水注 入在這些量子點周圍，並藉由控制水的起始值高度(threshold level)，去 定義量子點的數目、高度、大小、直徑等參數。為了簡便說明，我們就下 圖一維曲線信號為例，當選擇棕色的水平線以上為基準時，程式會自動判 別水平線以上的信號為 grain (i.e., 量子點)，並將之標示(藍線)；同樣 的若選擇棕色水平線以下為基準，程式亦會自動判別界線以下的信號為 pore，並將之標示(紅線)。
下圖為一個三維 AFM 信號使用 Threshold Segmentation Method 的實例 :
再選擇適當的 Detection level 後，最後電腦便會自動計算出這些 target 數據，如量子點的平均高度以及平均值徑等參數，進而讓我們能更進一步 的利用這些數據來做進一步的研究。
2-3-6 Femlab 半導體量子點的電子能態計算
我們將於第四章中詳細的說明如何使用Femlab的模擬方法推算出 InGaN量子點中In的含量。
圖 2-8 一維曲線信號
圖 2-9 Threshold Segmentation Method