微共振腔種類介紹

3.2.4 微共振腔種類介紹

目前在微共振腔的應用上，最常使用的有微圓盤共振腔，微柱共振腔，以及薄膜型 光子晶體微共振腔，以下將針對這三種微共振腔做介紹：

微圓盤共振腔(microdisk cavity)

微圓盤共振腔是利用全反射原理，由於圓盤的上下左右都是空氣，圓盤中的光會因 全反射而使光侷限在圓盤中而形成三維的維共振腔。微米圓盤中的週長為光源波長的整 數倍，使光沿著圓盤邊環繞而形成駐波， 因此又名耳語廊模態(Whispering-Gallery mode)。微圓盤共振腔具有製程簡單，高品質參數等等優點，但由於共振態的模態體積 較大(~6(λ/n) ³ )，因此光源較不易與共振腔形成耦合。圖3-4為微圓盤共振腔的SEM圖 形。

圖3-4: 微圓盤共振腔的 SEM 圖形[4]。

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光子晶體微共振腔

薄膜型光子晶體共振腔是在一個厚度約半個波長的薄膜上製作二維的光子晶體缺 陷結構。此種共振腔主要是利用光子晶體能隙效應，當光的波長在光子晶體的能隙範圍 時，光便無法在光子晶體中傳遞。圖3-5是二維光子晶體的示意圖，若在週期結構中刻 意的製造缺陷，其中的光源所發出來的光便無法在平面方向上傳遞，而往上下的光則會 因全反射而侷限，形成三維的共振腔。

圖3-5: 二維光子晶體的示意圖[10]。

微柱共振腔(micro pillar cavity)

微柱共振腔是利用布拉格反射層(Distributed Bragg reflector, DBR)將光侷限於一個 維度，另兩個維度則是利用全反射，形成三維侷限的共振腔。其製作的方法是用在磊晶 的方式成長上下兩組布拉格反射層，兩組反射層間有一層厚度等於光源波長的間隔層，

接著有兩種方式來蝕刻出奈米微柱，第一種利用電子束微影定義出奈米的圓型。完成電 子束的曝光顯影後用乾蝕刻蝕刻出柱狀的結構，由於微柱共振腔的結構的深寬比相當大，

因此蝕刻困難度很高；第二種是用黃光微影之後，再用感應耦合電漿離子(ICP)蝕刻出微

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柱，本論文使用的樣品就是利用微柱微柱共振腔的品質參數較低於微圓盤共振腔，模態 體積相近(~5(λ/n) ³ )，也有不易耦合的問題。但因光主要由共振腔上方射出，對於應用 上較為方便。圖3-6是微柱共振腔的SEM圖形，微柱半圓形狀物為未完全去除的光阻。

圖3-6: 微柱共振腔的 SEM 圖形(交大電子所李依姍學姊所拍攝)

3.2.5 微柱共振腔樣品製造

本微柱共振腔由交大電子所博士班李依珊學姊所製作，要製作內含低密度量子點的 高品質系數微柱共振腔，必須要用分子束磊晶(molecular beam epitaxy, MBE)長出平面 結構。實驗所用的樣品由MBE 實驗室所成長出的平面結構圖 3-7，此結構包含從 GaAs 基板長出的底部布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector, DBR)，再來是 GaAs 共振腔，

最後是頂部的DBR。要產生高反射率的 DBR 結構必須要交互堆疊 71 nm GaAs 和 75nm AlAs 材料，首先推疊底部的布拉格反射鏡共有 24 對，再來成長 280 nm GaAs 做主動區，

中間主動區包含一層低密度的InGaAs 量子點結構，最後成長頂部的布拉格反射鏡共 20 對。

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圖3-7: 微柱共振腔的平面結構圖形。

從MBE 長出平面 DBR 共振腔結構之後，用一般的黃光蝕刻還蝕刻出微柱結構，使 用的光罩圓柱圖形直徑從5 μm 到 1.5 μm 都有，製程步驟如圖 3-8，首先在樣品上面旋 佈光阻5214E(圖 3-8a)，經過曝光反轉烤之後，顯影留下微柱上方之光阻(圖 3-8b)，用 感應耦合電漿離子蝕刻出微柱圖形(圖 3-8c)，最後用丙酮去掉頂層光阻，前面該樣品步 驟均為李依姍學姊完成。

280 nm

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圖3-8: 微柱共振腔的製程步驟。

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第四章 實驗結果與討論

本論文分別對兩種不同結構的量子點樣品做研究分析，第一、量子點在鋁光窗內的 樣品，第二、在微共振柱狀結構(micropillar microcavity)中量子點樣品，我們會對這兩 種不同的樣品做溫度相依分析(temperature dependence)、注入雷射功率相依分析 (power dependence)、二次相關性分析(second-order correlation)，分別做數據分析與 討論。

4.1 在鋁光窗中的量子點

本實驗所用的樣品 Lm5207，用自組成法(self-assembly)成長量子點，因為之前直 接成長量子點的樣品光子輻射蒐集效率較差，為了增強量子點蒐集效率，在樣品下方成 長15 層布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector, DBR) ，上方長 2 層 DBR，使得往樣 品底的量子點光源能夠反射到樣品表面，增加量子點螢光蒐集效率，最後再覆蓋一層鋁

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4.1.1 強度相依分析(power dependence)

量子點輻射的強度相依分析是為了了解特定的譜線(spectral line)，如激子(exciton)

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圖4-2: Hole A 在不同雷射功率之下積分 3 秒後，PL 強度與波長之關係。

圖4-3: Hole A 譜線積分強度與注入雷射功率相依關係。

T=4 K

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Hole B

Hole B 內量子點發光強度較 Hole A 弱，Hole B 也含有兩個不同的量子點在內，圖 4-4 為其溫度 4 K 在不同雷射功率之下積分 3 秒後，PL 強度與波長之關係圖，由圖可以 看出主要譜線包含913.63 nm、917.62 nm 和 919.10 nm，其中 913.63 nm 的譜線強度 最強，為用來選作 HBT 二次相關性實驗譜線，對這些譜線面積積分之後，做積分強度 與注入雷射功率的相依性，再對數據作次方項擬合，圖4-5 為其譜線積分強度與注入雷 射功率的關係圖，913.63 nm 的次方項為 1.353，917.62 nm 的次方項為 1.872，919.10 nm 的次方項為 0.844，Hole B 中含有多個量子點的譜線，因 917.62 nm 的次方項約為 919.10 nm 的兩倍，推論 917.62 nm 和 919.10 nm 的譜線為同一個量子點的雙激子(QD2

XX)和激子(QD2 X)，而 913.63 nm 為另一個量子點的激子譜線(QD1 X) 。在注入雷射功 率為1 μW 的情況下，Hole B 的最強譜線積分強度只有 Hole A 的五分之一，在做 HBT 實驗十分容易受背景雜訊的影響，我們在做HBT 實驗時，則選取 913.63 nm 譜線(QD1 X) 作為光源。

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圖4-4:Hole B 在不同雷射功率之下積分 3 秒後，PL 強度與波長之關係。

圖4-5: Hole B 譜線積分強度與注入雷射功率相依關係。

T=4 K

42 圖形，此時單一SPAD 每秒鐘偵測到的光子大約 50000 counts，是用手動調整聚焦鏡能 夠達到最好的數值，進行HBT 實驗，這時二次相關性函數在延遲時間等於 0 的點 g⁽²⁾(0)，

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圖4-6: (a) Hole A 在 0.5 μW 之下積分 500 s 之後標準化的二次相關性函數與延遲時間 的關係圖; (b ) g⁽²⁾(0)與偵測到的每秒 counts 數關係圖。

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Hole A

Hole A 選取 929.55 nm 的譜線也就是 QD1的激子X，做 HBT 相關性實驗，圖 4-7 為加上帶通濾鏡之後，積分時間3 秒，注入雷射為 1 μW 的時 PL 強度與波長關係圖，

從圖可發現帶通濾鏡無法完全濾掉QD1的雙激子XX 和 QD2的激子X，這些訊號將會作 為雜訊影響g⁽²⁾(0)。圖 4-8 為積分 500 秒之下，QD1 XX 在不同雷射功率下的二次相關 性圖形，我們對實驗數據用捲積公式做了曲線擬合(參 2.2.4)，當功率為 0.28 μW 時(圖 4-8(a))，SPAD 偵測到的計數變低，雜訊的比例上升，g⁽²⁾(0)值也隨之上升，也受到 SPAD 崩潰時本身所發出的光影響結果，在注入雷射功率在0.35 μW 之下，g⁽²⁾(0)有最小值(圖 4-8(b))，實驗值 g⁽²⁾(0)^d為 0.312，擬合值 g⁽²⁾(0)^f為 0.298，而當注入雷射功率加強至 1.2 μW 時，如圖 4-8(d)，雖然不受雜訊和 SPAD 崩潰發光影響，g⁽²⁾(0) 值卻隨之上升，

原因之後會與Hole B 的結果一起討論。

圖4-7: Hole A 加上帶通濾鏡之後，積分時間 3 秒，注入雷射 1 μW 的 PL 強度與波長 關係圖。

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圖4-8: Hole A 取 929.55 nm 譜線(QD1 X)在不同雷射功率之二次相關性圖形。

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圖4-10: Hole B 在 913.63 nm 譜線(QD1 X)在不同雷射功率之二次相關性圖形。

48 的激子態|X>，能階 3 為高能階|E>；k13為基態|0>電子吸收雷射光子躍遷到高能階|E>

的速率，k32為電子從|E>釋放能量到激子態|X>的速率，k21為激子態|X>電子與電洞復合

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圖4-11: Hole A 和 Hole B 二次相關性函數零點擬合值 g⁽²⁾(0)^f與注入雷射功率的關係圖。

圖4-12: Hole A 和 Hole B 反群聚時間τa與注入雷射功率的關係圖。

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圖4-13: 量子點三能階的速率模型，能階 1 為無電子電洞的基態|0>，能階 2 為電子電 洞對的激子態|X>，能階 3 為高能階|E>；k13為基態|0>電子吸收雷射光子躍遷 到高能階|E>的速率，k32為電子從|E>釋放能量到激子態|X>的速率，k21為激子 態|X>電子與電洞復合產生單光子的速率[17]。

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圖4-14: Hole A 加上帶通濾鏡之後，積分時間 3 秒，注入雷射 1 μW 的 PL 強度與波長 關係圖 。

A=160.26 A=124.64

A=1876.75

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4.2.1 溫度相依關係(Temperature dependence)

在做二次相關性實驗之前，必須做變溫的顯微光激螢光實驗，目的是為了找出共振 counts 的譜線，隨著溫度的提升，964.9 nm 的譜線波長改變的幅度較大，約 0.06 nm/K，

而965.35 nm 的譜線變化幅度只有 0.01 nm/K，推論 964.9 nm 的譜線為量子點的輻射，

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是因為系統解析度的影響，圖4-16(b)是量子點與共振腔模態不同溫度其半高寬的變化，

若發生強耦合效應，量子點與共振腔模態在快要發生強耦合效應時半高寬也會逐漸接近，

但從圖中量子點與共振腔模態的半高寬並沒有貼近，推論此微柱共振腔與量子點為弱耦 合效應的範疇，在弱耦合狀態，會因為 Purcell effect，增加自發性輻射效率，圖 4-17 是Pillar A 量子點與共振腔模態不同溫度其譜線積分強度的變化，可知 PL 強度最大值 是在絕對溫度20 K 的時候，之後會在 20 K 時做 HBT 量測，此微柱共振腔 Q 值為 6436，

Purcell factor 為 1.251。除此之外，共振腔模態譜線的周圍還有別的量子點存在，像是 圖4-15 在溫度 12 K 時共振腔模態右邊的量子點譜線。

圖4-15: Pillar A 在不同溫度時積分 3 秒的 PL 強度與溫度關係圖。

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圖4-16: Pillar A (a)量子點與共振腔模態不同溫度其波長的變化;(b)量子點與共振腔模 態不同溫度其半高寬的變化。

(a)

(b)

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圖4-17: Pillar A 量子點與共振腔模態不同溫度其譜線積分強度的變化。

Pillar B

Pillar B 的溫度相依關係與 Pillar A 相似，但 Pillar B 的在共振溫度時 PL 強度為 Pillar A 的兩倍，圖 4-18 是 Pillar B 在不同溫度時積分 3 秒的 PL 強度與波長關係圖，在圖中 溫度10 K 時在波長 968.68 nm 處有強度大約 6000 counts 的譜線，隨著溫度的提升，

968.68 nm 的譜線波長改變的幅度較大，約 0.038 nm/K，在波長 969.03 nm 處有強度 大約18000 counts 的譜線，969.03 nm 的譜線變化幅度較小，只有 0.0083 nm/K，我們 推論968.68 nm 的譜線為量子點，969.03 nm 的譜線為共振腔模態，圖 4-19(a)為其量 子點與共振腔模態在不同溫度其波長的變化圖，跟Pillar A 步驟相同，我們要確認量子 點跟共振腔之間耦合程度，從20 K 到 30 K 之間，皆無法分辨量子點與共振腔模太的譜 線，圖4-19(b) 為量子點與共振腔模態不同溫度其半高寬的變化，與 Pillar A 相同，量 子點的半高寬在快要接近共振溫度時並無與共振腔模態的半高寬接近，推論微柱共振腔 與量子點為弱耦合效應的範疇，此共振腔Q 值為 8075，Purcell factor 為 1.159。圖 4-20

968.68 nm 的譜線波長改變的幅度較大，約 0.038 nm/K，在波長 969.03 nm 處有強度 大約18000 counts 的譜線，969.03 nm 的譜線變化幅度較小，只有 0.0083 nm/K，我們 推論968.68 nm 的譜線為量子點，969.03 nm 的譜線為共振腔模態，圖 4-19(a)為其量 子點與共振腔模態在不同溫度其波長的變化圖，跟Pillar A 步驟相同，我們要確認量子 點跟共振腔之間耦合程度，從20 K 到 30 K 之間，皆無法分辨量子點與共振腔模太的譜 線，圖4-19(b) 為量子點與共振腔模態不同溫度其半高寬的變化，與 Pillar A 相同，量 子點的半高寬在快要接近共振溫度時並無與共振腔模態的半高寬接近，推論微柱共振腔 與量子點為弱耦合效應的範疇，此共振腔Q 值為 8075，Purcell factor 為 1.159。圖 4-20