3-1 量子點主動層結構
本研究所用來製作微碟共振腔的量子點主動層(active region)樣品 是由國立中央大學電機工程學系綦振瀛教授實驗室所成長，其結構如圖3-1 所示。此量子點試片是利用分子束磊晶法(molecule beam epitaxy，MBE)成 長，並以S.K.模式(Stranski-Kranstanov mode)形成量子點。首先，在砷化鎵 基板(GaAs substrate)上先成長一層 800 nm 厚的砷化鋁鎵(Al0.5Ga0.5As)當作 犧牲層(sacrifice layer) ，接著再成長厚度 100 nm 的砷化鎵緩衝層(buffer layer)，並於其上成長砷化銦(InAs)量子點。由於砷化銦晶格常數與底部砷 化鎵晶格不匹配(lattice mismatch) ，因而隆起形成砷化銦量子點，其密度約 為1010 cm-2。最後樣品披覆一層 100 nm 厚的砷化鎵覆蓋層(capping layer)。
【圖 3- 1】砷化銦量子點結構示意圖
3-2 微碟共振腔製作流程
我們使用兩階段的濕式蝕刻(wet etching)製程來製作微碟共振腔，各階 段步驟敘述如下，而圖3-2 則為各階段製程示意圖。
A. 曝光 (Exposure)
首先使用負光阻當作往下蝕刻的遮罩(mask) 。為了增加光阻與樣品表 面的附著力，樣品表面必須是乾燥且潔淨無雜質的。因此上光阻前，我們 先使用HMDS (hexamethyl disilazane )蒸鍍樣品表面。接著再以光阻塗佈機 將光阻均勻塗佈在樣品表面上，其厚度約300 nm。最後利用電子束微影術 (E-beam lithography)定義直徑介於 2~4 µm 的微碟大小與位置。光阻經過曝 光與顯影後便可進行濕式蝕刻，將微碟光阻遮罩轉移至下層。
B. 濕蝕刻 (GaAs / AlGaAs etching)
為了將微碟光阻遮罩轉移至下層的砷化(鋁)鎵層，我們使用氫氯酸 (HCl)當作主要的蝕刻液。溶液依 HCl、 H2O2和 H2O 不同比例調配，可找 出最適合的蝕刻速率為10~40 nm/s 。樣品經過蝕刻液浸泡 25~35 s 之後，
以去離子(de-ion，DI)水潔淨。
C. 選擇性蝕刻 (Selective etching)
為了將砷化鎵共振腔本體懸立在空氣中，我們以下層的砷化鋁鎵當作
D. 去光阻 (Remove photoresist)
將樣品浸泡在丙酮(acetone)內約 2 小時候，即可去除表面殘留的光 阻。製成後的微碟共振腔SEM 影像如圖 3-3 所示。
【圖 3- 2】微碟共振腔各階段製作流程示意圖
【圖 3- 3】微碟共振腔的 SEM 影像
3-3 顯微光激螢光光譜實驗架構
為了針對單一微碟共振腔進行光學特性量測，我們使用顯微光激螢光 (micro-photoluminescence，μPL)光譜技術來精準定位並激發及偵測單一微碟 共振腔，其實驗架構如圖3-4 所示。激發光源是氦氖雷射，波長為 632.8 nm。
雷射光經過100 倍物鏡聚焦至單一微碟共振腔，其光點直徑大小約為 2μm。
圖中虛線部分為成像系統，利用分光鏡(beam splitter，B.S.)將雷射和白光燈 源聚至樣品表面並反射到CCD Camera，透過監視器可清楚的看到樣品表面 和雷射聚焦。樣品發出的螢光經由上述同一顯微物鏡收集後聚焦至光譜儀 狹縫形成共軛焦(confocal)，經由光譜儀光柵分光後由砷化銦鎵二極體陣列 (InGaAs-diode array)偵測，經電腦處理後即得到螢光譜圖。本裝置的光譜解 析度約為0.15 nm，如圖 3-5 所示，藉由量測雷射二階訊號以獲得光譜解析 極限。
【圖 3- 4】顯微光激螢光(μPL)系統的架構圖
1264.8 1265.6 1266.4
Intensity (a.u.)
Wavelength (nm)
HeNe Laser
FWHM~0.15nm
【圖 3- 5】μPL 系統的光譜解析
3-4 顯微光激螢光光譜空間解析實驗架構 (Mapping)
為了瞭解由微碟共振腔所發出的各WGMs螢光強度的空間分佈，我們 使用μPL進行空間上的解析量測，也就是映製(mapping)出微碟共振腔的 WGMs螢光強度隨空間位置的關係圖，其實驗架構如圖3-6所示。實驗上，
我們對整個微碟共振腔均勻激發，以屏除激發光源隨空間位置改變的因 素。我們使用焦距50 mm的透鏡達到對樣品均勻激發的效果，而樣品發出的 螢光訊號經100X物鏡(焦距2 mm)收集後由焦距為200mm的透鏡聚焦至 75µm的孔徑(pinhole)形成共軛焦。最後再經由電控樣品的移動平台達到映 製的目的，其空間平面解析度為0.75 µm。