3.1 樣品結構
本實驗中所使用的樣品皆是利用分子束磊晶系統(Molecualr Beam Epitaxy, MBE)所 成長。而 MBE 的優點在於能夠成長複雜的異質結構，樣品的表面也足夠光滑，能夠減 少捲管共振時因為表面粗糙而造成的光波散射。
首先在半絕緣砷化鎵(Semi-Insulating GaAs,SIGaAs)基板上成長 100nm 的 GaAs 緩衝 層。為了使應變雙層薄膜能夠順利地與基板分離，因此接著成長 50nm 的 AlAs 犧牲層。
在犧牲層的上方接著成長應變雙層薄膜，由受到壓縮應力的 In0.2GaAs 以及受到伸張應 力的 GaAs 所組成。在應變雙層薄膜的 GaAs 層裡面，我們成長了 2.6ML(monolayer)的 InAs 的量子點，作為樣品中主動發光層，如圖 3.1.1 所示。
(a) (b)
圖 3.1.1 樣品磊晶結構示意圖 (a) 樣品 Lm5403 (b)樣品 Rn1390
2.6ML InAs QD
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如同前面所述，由包含 InAs 量子點的應變雙層薄膜與 AlAs 犧牲層所組成。為了更 加有效的將載子侷限在量子點附近的 GaAs 層中，期望能夠獲得更好的發光效率，
Lm5403 在量子點的上下方各成長了 10nm 的 Al0.25GaAs 作為 SCH(Seperate Confinement Heterostructure) layer，如圖 3.1.1(a)。而另外，我們也成長了雙層量子點的樣品 Rn1390(圖 3.1.1(b))，其結構大致上與樣品 Lm5403 類似，GaAs 基板上成長 GaAs 緩衝層之後，成 長 50nmAlAs 犧牲層，接著成長 15nm 的 In0.2GaAs。不同的地方在於最表層的 GaAs 裡
選擇性蝕刻溶液由 10%氫氟酸(hydrofluoric acid, HF)溶液 100ml，再加上 1ml 的表 面活性去泡劑 Benzalkonium chloride，簡稱 BKC，其中文名稱為氯化苯二甲烴胺，簡稱
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四級胺。根據參考文獻[19][20]，我們在以氫氟酸為主的選擇性蝕刻溶液中又添加了表 面活性去泡劑(surfactant and antifoaming agent)，是因為此添加劑會隨著氫氟酸被帶到 AlAs 層，並且能夠將蝕刻後所產生的氫氣等生成物帶走，藉此使蝕刻能更加順利並延 後到達蝕刻終點。此溶液將會選擇性蝕刻 AlAs 犧牲層，而不會蝕刻樣品中的其他材料 如 GaAs 等等，其選擇比> 109，使犧牲層上方的應變雙層薄膜能釋放應力而捲曲形成 捲管狀。選擇性蝕刻後，微米捲管立於砷化鎵基板上的光學顯微影像見圖 3.3.2(a)。
薄膜捲曲成捲管之後，由於其立於基板之上，假如直接用雷射光激發，將會面臨到 漏光的問題。造成漏光的最大原因是因為薄膜本身的折射率與基板的折射率很接近(約 為 3.4 左右)，光場並不能很好地侷限在薄膜裡面，而會透過耦合的方式，經由基板逸散。
因此我們將捲管轉移至折射率較低(大約 1.5)的玻璃基板之上。
3. 捲管轉移至玻璃基板 :
如下圖 3.2.1 所示，在玻璃基板上面滴一些適當的溶劑做為媒介，這裡我們使用不會 對樣品品質造成影響的甲醇(CH3OH)。接著將表面立著微米捲管的砷化鎵基板直接倒立 放置於其上，並且等待其風乾。重力以及表面張力的作用會使得捲管掉落在玻璃基板上 面，而在溶劑揮發之後，捲管則會因為凡德瓦力停留在玻璃基板之上。注意這裡的捲管 因為處在有機溶劑的環境之中，捲管的排列已經不如當初光罩圖樣設計般的整齊，而且 有可能發生捲管互相交錯的情況。無論如何，只要我們量測時選擇單根捲管即可。最後 再將上面的砷化鎵基板移除，我們稍後即可對此玻璃基板上的微米捲管進行量測。轉移 至玻璃基板上的捲管光學顯微影像見圖 3.2.2(b)。
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圖 3.2.1 將捲管從原本樣品基板轉移至異質基板上的過程示意圖
(a)在原本樣品基板上完成的懸空捲管 (b)將樣品基板藉由適當溶劑作媒介，倒放至另 一異質基板上 (c)移除樣品基板，待溶劑自然風乾，捲管停留於異質基板上
(a) (b)
圖 3.2.2 (a)立於砷化鎵基板上之微米捲管 (b)轉移至玻璃基板上之微米捲管
另外我們為了量測環形共振腔的發光耦合性質，製作了雙捲管。利用深層蝕刻將樣 品朝著 45 度角的方向蝕刻出周期性、寬度約為 40μm 的起始窗口，其深度>1μm，穿越 犧牲層，如圖 3.2.3(a)。由於留下來週期性表面寬度約為 95~100μm，選擇性蝕刻時，應 變雙層薄膜會從起使窗口向著每塊 mesa 的中心捲曲。如果選擇性蝕刻夠久，最後會形 成兩兩成對的捲管，停留在每塊 mesa 的中心(圖 3.2.3(b))。如同前面的轉移步驟，我們 將雙捲管利用甲醇轉移至玻璃基板(圖 3.2.3(c))。
(a) (b) (c)
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(a) (b) (c)
圖 3.2.3 (a)選擇性蝕刻前，樣品之 mesa 圖樣 (b)雙捲管兩兩成對捲曲於砷化鎵基板之上 (c)雙捲管轉移至玻璃基板上
3.3 置於溝槽上之單微米捲管元件
為了更進一步降低共振光波耦合至基板逸散，我們在捲管捲曲之前，在基板上面開 出溝槽，使得捲管捲起之後，能夠立於其之上。
這裡我們先利用淺層蝕刻(shallow etching)破壞其餘三邊的應變雙層薄膜，再利用深 層蝕刻(deep etching)只讓矩形其中一邊的 AlAs 犧牲層露出。淺層蝕刻的目的是只蝕刻 應變雙層薄膜上面的 GaAs 層，盡量留下 InGaAs 層保護 U 形 mesa 的兩條邊不側向捲起。
最後再經由選擇性蝕刻來形成捲管，如此控制捲管的圈數、軸向長度以及位置。不過在 這樣的結構下，若直接用雷射光激發捲管，量子點的發光會逸散至折射率與波導結構相 近的 GaAs 基板，所以我們增加了基板蝕刻，以此作為固定的光激發微米捲管製程。圖 3.3.1 為立於溝槽上之微米捲管製程的步驟示意圖，圖 3.3.2 則為 mesa 設計圖以及捲管 影像。各道蝕刻詳細步驟以及順序如下:
1. 淺層蝕刻:
淺層蝕刻液由 NH4OH：H2O2 = 1：250 所組成，室溫下 pH 值約為 7.3。此溶液可以 選擇性蝕刻 GaAs，而較不會蝕刻 InGaAs 以及 AlGaAs 等材料。配置淺層蝕刻溶液的實 驗器皿需先用烤箱將水分烤乾，保持完全乾燥，否則不易抓準蝕刻條件。蝕刻時使用磁 石攪拌子持續攪拌，使整杯溶液的蝕刻速率保持均勻且固定。此步驟將應變雙層薄膜上
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方的 GaAs 去除，破壞應變雙層薄膜的應力，以定義出捲管的軸向長度，捲曲長度以及 捲管中央懸空的區域大小。淺層蝕刻的矩形檯面(mesa)設計成 U 形的圖樣，如此可使樣 品薄膜捲曲後 U 型中央的部分形成懸空的捲管，U 型的兩個邊則作為支撐中央懸空捲管 的橋梁部分。
2. 基板蝕刻：
基板蝕刻溶液由 H2SO4 : H2O2 : H2O = 1 : 8 : 80 所組成，此溶液配方以約每分鐘 0.5μm 的速率蝕刻樣品中所有材料。我們利用此溶液在捲管懸空區域的中央快速蝕刻矩 形 mesa 至約 2μm 的深度，並使 U 形 mesa 釋放應力捲曲並且懸空在此矩形區塊上方，
避免在量測捲管的發光特性時，光波逸散至基板而無法測得。我們設計的基板蝕刻矩形 mesa 寬度為 20μm，但由於此蝕刻溶液樣品時會有側蝕的現象，因此蝕刻完後在樣品表 面的矩形 mesa 寬度會變為約 30μm，但是仍遠小於淺層蝕刻 U 形 mesa 中央捲管懸空的 尺寸(60μm)，因此並不至於影響後續捲管的製程與量測。
3. 深層蝕刻：如同前一節 3.2-1 所述。
4. 選擇性蝕刻：如同前一節 3.2-2 所述。
在第四步選擇性蝕刻前的三道蝕刻步驟可以依需求隨意調換其先後順序，不過如果 將深層蝕刻擺在這三道裡的最後一道效果較佳。因為深層蝕刻是用來定義捲管起始窗口，
在做完深層蝕刻之後緊接著做選擇性蝕刻，可有效避免其他兩道蝕刻步驟影響到起始窗 口的平整度。
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圖 3.3.1 置於溝槽上之微米捲管製程示意圖
(a)分子束磊晶系統成長的樣品結構 (b)U 形淺層蝕刻 (c)矩形基板蝕刻 (d)深層蝕刻定義起始窗口 (e)選擇性蝕刻犧牲層，樣品薄膜捲曲形成捲管
(c)
(a)
(b)
(d)
(e)
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樣厚度的金相對於薄膜捲起的應力有壓制的效果，可以防止 U 形 mesa 從側向捲起，只 朝我們定義出的方向捲曲。而實驗結果也顯示，多了鍍金這到步驟的確能夠大幅提升微 米捲管停留於溝槽上的成功率，見圖 3.3.3.。
(a) (b)
圖 3.3.3 鍍金之溝槽上微米捲管圖樣[樣品 Lm5403]
(a)選擇性蝕刻前圖樣 (b)選擇性蝕刻後捲管形成
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100X，HeNe CW laser，
高解析單光儀，chopper，
衰減片，lock-in amplifier(鎖 相放大器)
激發以及收取樣品發 光，並且分析其頻譜
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4.1 低溫致冷器
本實驗所量測的半導體微米捲管管壁根據捲起來的圈數不同會有不的厚度，一般來 說大概在 200 個奈米以內。在這樣厚度之下，若我們想要觀測半導體微米捲管的光學特 性，必須在低溫的條件下達成。若是在室溫下操作，我們發現半導體微米捲管會因為管 壁太薄，導致熱能累積，進而降低發光效率。要是增加激發雷射的能量，微米捲管甚至 會燒毀而導致無法再次量測。另一方面，由於在室溫，聲子(phonon)的濃度大幅上升，
導致主動層(量子點)內的非輻射復合(non-radiative recombination)機會也增加，導致微米 捲管在室溫下的 PL 訊號不夠明顯，因此我們在本實驗中將樣品所在的環境降到低溫，
避免訊雜比太低，或是因為過熱而將元件燒壞。這裡我們採用液態氮降溫，因此之後低 溫情形便固定為液態氮溫度 77K。低溫致冷器的運作原理如圖 4.1.1 所示，低溫致冷器 實際形貌見為圖 4.1.2。低溫致冷器可外接一個溫度控制儀，藉由程式控制幫浦抽氣的速 率以及對樣品加熱來精準地在變溫量測時，達到我們所要求的目標溫度。
圖 4.1.1 低溫致冷器運作流程圖
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圖 4.1.2 低溫致冷器實品
本研究中的半導體微米捲管管徑大約為 5~9μm 左右。因為微米捲管的最小尺度為 微米等級，所以這裡所採用的低溫致冷器必須能夠達到下列幾個目標:
1.低震動
為了避免低溫致冷器在降溫的過程中因為在窗口上結水氣妨礙系統收光，降溫過程 中我們將低溫致冷器抽真空。在一般 PL 實驗中，我們可以同時降溫以及抽真空，因為 抽真空造成的震動幅度小於 PL 的直徑(約 200μm)。
但本實驗中的半導體微米捲管直徑約 8~9μm，若抽真空的過程中造成震動，會使得 雷射光距焦在微米捲管上的點不斷變動，造成實驗結果無法重複，或是在量測的過程中 產生雜訊。因此本實驗系統在量測過程中不會同時抽真空，以確保沒有震動。
另外本實驗所使用的致冷氣體為液態氮，以連續抽氣的方式冷卻，也就是以抽氣幫
另外本實驗所使用的致冷氣體為液態氮，以連續抽氣的方式冷卻，也就是以抽氣幫