微米捲管殘留應變討論與估算

分子束磊晶技術成長晶格不匹配(如：InGaAs 和 GaAs)的材料薄膜於基板 上，薄膜會受到些微的壓縮或拉張的應變量，我們利用微型拉曼光譜(μ-Raman spectroscopy)系統，量測不同材料應變鬆弛前後的聲子位移(Stain-induced phonon shifts)情形，而換算出微米捲管內的應變分佈，並與理論模擬的結果分析比較。

分析半導體捲管內晶格結構與應變分佈有許多種方法，例如：穿透式電子顯 微鏡(Transmission Electron Microscopy，TEM)、光子激發光(Photoluminescence，

PL)、X 光繞射儀(X-ray micro-diffraction)等，但 μ-Raman 光譜儀量測的優勢在於 快速、靈敏和無破壞性，也就是當微米捲管成形後，不需要做任何額外的處理，

即可立即量測，因此選擇它。

5.2.1 不同外觀與圈數微米捲管之室溫 μ-Raman 分析

使用樣品Lm4892，雙層應變薄膜為 10nm In0.2Ga0.8As 和 20nm GaAs，製作 方式為二道光學微影的方向性微米捲管製程，起使窗口的寬度為100μm，詳細的 製程流程請參考第四章。

於此製程條件下，同一試片上，我們得到了二種不同外觀的微米捲管，推測 原因可能為In0.2Ga0.8As 薄膜本身的磊晶成長特性，就難以確保各處皆是均勻的，

導致選擇性淺層蝕刻(蝕刻液為 NH4ON/H2O2) 時，各處的蝕刻 mesa 邊界不一 致，影響了捲管的形成模式。

一是邊緣沿著微影圖案而撕開捲起的捲管，捲管的邊緣切齊，表面光滑平 整，整根外觀類似於傳統的蛋捲，別稱為「蛋捲形微米捲管」，此類捲管的圈數 大約10 圈，如圖 5.2.1.1(c)和(d)的光學顯微鏡和 SEM 影像；二是邊緣不沿著微 影圖案，卻斜向鋸齒狀撕開薄膜而捲起的捲管，捲管邊緣呈現週期性鋸齒狀撕開 的痕跡，整根外觀類似於中空的法國可頌，稱為「中空可頌形微米捲管」，此類

捲管的圈數能達到大約20 圈，如圖 5.2.1.2(c)和(d)的光學顯微鏡和 SEM 影像。

首先該釐清的是，使用拉曼光譜儀推算捲管內應變的深度分佈情形，與使用 何種波長的雷射的光穿透深度密切相關，本研究皆使用632.8nm 氦氖雷射，對於 波長為632.8nm 的雷射光，其拉曼探測深度也就是光穿透深度的一半，對於 GaAs 材料約為130nm；對於 InGaAs 材料約為 80nm，至於樣品的應變薄膜約為 30nm，

而且雷射光進入材料後，強度呈指數衰減，因此拉曼光譜主要的訊號來源為最外 面管壁。若捲管的半徑不同，理當其應變鬆弛的程度也會不同，所以分別對二種 不同外觀的微米捲管作

μ-Raman 光譜儀量測，並分析其不同的應變鬆弛程度，

因為捲的圈數相異，最外層的管徑也相異。

圖 5.2.1.1 為蛋捲形微米捲管之拉曼光譜，發現應變鬆弛前與捲管形成後的 拉曼光譜有顯著的差別，因[001]方向後向散射選擇率的緣故，圖中主要的峰值 為GaAs-like LO-phonon modes。對於未應變鬆弛區，主峰值為 290

cm 來自於上

⁻¹ 層 的 GaAs 薄 膜 ， 至 於 240~270

cm 間 的 寬 峰 為 DATO (Disorder-activated

⁻¹ transverse optical modes)- InGaAs 訊號，來自於化學與結構的不均勻，若峰值愈 強表示均勻度愈差，另外AlAs 犧牲層的訊號，可能因為太薄而未被探測到。

形成後的微米捲管，其最外層 In0.2Ga0.8As 薄膜，當雷射光聚焦於管壁時，

主峰值紅移至286.5nm，此峰值的來源應該有二，其一為 In0.2Ga0.8As 層貢獻較強 大的訊號，二為GaAs 層也應當有訊號的貢獻，曲線擬合出二個峰值結果為 285.4 nm 和 288.3 nm，分別為 In0.2Ga0.8As 層和 GaAs 層的訊號。

由圖 5.2.1.1(b)歸一化後的拉曼光譜，能更清楚地判別應變鬆弛前後主峰值 的紅移，此結果是我們所預期的，藉由式(2.15)和(2.16)能算出徑向和靜水應變分 量，使用到的材料參數參考表5.2.1.2。由蛋捲形微米捲管的拉曼光譜量測結果，

計算得到徑向和靜水應變分量的結果，如表5.2.1.1。

表5.2.1.1 蛋捲形微米捲管之拉曼光譜與應變分析結果 Strained

LO ( ) ω

₀

(unreleased) (cm^-1

)

On-tube

( ) ω

₀

220 240 260 280 300 320

0.0

Raman Intensity (arb. u.)

Raman shift (cm^-1)

DATO-InGaAs LO

Complete mesa

<normalized>

μ-Raman {10mW, RT}

unreleased area on-tube

220 240 260 280 300 320

0 500 1000 1500

Raman Intensity (arb. u.)

Raman shift (cm

^-1

)

μ -Raman {10mW, RT}

unreleased area on-tube

on-tube_fitting

Complete mesa

表5.2.1.2 GaAs、In0.2Ga0.8As、Al0.4Ga0.6As 材料參數(室溫) [23]

( ) ω

₀

LO

為 LO 聲子頻率、 ~₁₁

K 和 K ^~

₁₂為半導體的聲子形變勢(Phonon deformation potential)

( ) ω

₀

LO ( ) ^cm

⁻¹

^K

^~11

^{K ~}

¹²

GaAs 292 -1.7 -2.4

In0.2Ga0.8As 282.2 -1.54 -2.48 Al0.4Ga0.6As --- -1.7 -2.4

圖 5.2.1.2 為中空可頌形微米捲管之拉曼光譜，同樣發現應變鬆弛前後的拉 曼光譜有所的差別。對於未應變鬆弛區的拉曼頻譜，與圖5.2.1.1 幾乎是重疊的，

因為這是同一試片上的不同根捲管，GaAs 薄膜所貢獻的訊號同樣為 290

cm ，

⁻¹ 於240~270

cm 間仍存在 DATO-InGaAs 訊號。

⁻¹

中空可頌形微米捲管形成後的拉曼光譜，主峰值位移至287.5nm，與蛋捲形 微米捲管(286.5nm) 相較下位移量減少，因為中空可頌形捲管總圈數約 20 圈，

蛋捲形捲管共約捲了10 圈，一根捲管中，愈外圈的管徑愈大，又拉曼量測主要 訊號來自於最外圈。我們知道不同的管徑，其雙層應變薄膜的鬆弛程度不一，導 致拉曼頻譜中不同的聲子頻率位移，當捲管直徑愈大，聲子的紅移量就愈大。

主峰 287.5nm 曲線擬合後的二個峰值為 285.5 nm 和 288.7 nm，分別為 In0.2Ga0.8As 層和 GaAs 層的訊號。同理，由實驗結果能計算出徑向和靜水應變分 量，如表5.2.1.3。

表5.2.1.3 中空可頌形微米捲管之拉曼光譜與應變分析結果 Strained

LO ( ) ω

₀

(unreleased) (cm^-1

)

On-tube

( ) ω

₀

220 240 260 280 300 320

50

R a man Intensity (arb. u.)

Raman shift (cm

^-1

)

μ -Raman {10mW, RT}

unreleased area on-tube

on-tube_fitting

290

220 240 260 280 300 320

0.0

Raman Intensity (arb. u.)

Raman shift (cm^-1)

μ-Raman {10mW, RT}

unreleased area on-tube

DATO-InGaAs

LO

圖5.2.1.3 為分別就表 5.2.1.1 和表 5.2.1.3 的數據分析結果，與第二章理論模 擬結果(式(2.10)和式(2.11)) 作比較，下方為樣品的應變薄膜結構。線段是理論模 擬的各應變分量對深度分佈關係，粉紅色為軸向分量；藍色為切線方向分量；紅 色為徑向分量，綠色靜水應變分量。方形實點為蛋捲形微米捲管的拉曼量測結 果，圓形實點為中空可頌形微米捲管的拉曼量測結果。實驗量測和理論模擬的結 果挺符合的，只存在些微的差距，應該是實驗數據是多層管壁的平均應變量，而 且每圈曲率又有些微差距，理論計算則是一圈捲管的應變量，而造成彼此無法完 全地吻合。

à

à à

à

0 5 10 15 20 25 30

0.00 0.01 0.02 0.03

y _H nm _L

Str a in

ε hydro

ε x

ε z ε y

GaAs 20nm In

0.2

Ga

0.8

As

10nm

圖5.2.1.3 蛋捲形(■) 與中空可頌形(●) 微米捲管【樣品 Lm4892】

各應變分量對深度的分佈模擬關係(線段)、量測值(點)

5.2.2 量子井微米捲管之室溫 μ-Raman 分析

使 用 樣 品 Lm4951 ， 應 變 薄 膜 為 10nm In0.2Ga0.8As 與 量 子 井 GaAs/Al0.4Ga0.6As，上層總厚度為 26nm，製作方式為方向性微米捲管製程，起使 窗口的寬度為100μm，詳細的製程流程請參考第四章。

量測同一試片上不同根微米捲管的拉曼光譜，分別是捲2 圈、12 圈和 20 圈 的微米捲管，量測結果參照圖 5.2.2.1，未應變鬆弛區的主峰值為 GaAs-like LO-phonon 290

cm

⁻¹，訊號來自GaAs 材料；寬峰 260

cm

⁻¹、270

cm

⁻¹與380

cm

⁻¹為 Al0.4Ga0.6As 材料的訊號，因為材料本身的不均勻造成寬胖峰，其中峰值 380

cm

⁻¹ 於AlAs-like LO-phonon 範圍。

量子井微米捲管拉曼光譜的峰值呈現紅移，287.5

cm

⁻¹為In0.2Ga0.8As 和 GaAs LOmodes 的疊加，利用曲線擬合找出二個峰值為 287.1

cm

⁻¹和 290.5

cm

⁻¹，而得 到二種材料應變鬆弛前後的聲子位移量分別為+4.9

cm

⁻¹和-0.5

cm

⁻¹。273.5

cm

⁻¹與 377.5

cm

⁻¹源於Al0.4Ga0.6As 材料，由峰值 377.5

cm

⁻¹與未應變鬆弛前的380

cm

⁻¹比 較，得到聲子紅移了-2.5

cm

⁻¹。分別將各材料的聲子位移量代入式(2.15)和 (2.16)，算出個別的徑向和靜水應變分量，拉曼光譜的分析結果於表 5.2.2.1，使 用的材料參數如表5.2.1.2。

表5.2.2.1 量子井微米捲管之拉曼光譜與應變分析結果 Strained

LO ( ) ω

₀

(unreleased) (cm^-1

)

On-tube

( ) ω

₀

250 300 350 400

500 1000 1500

380

Raman Intensity (arb. u.)

Raman Shift (cm

^-1

)

GaAs substrate

unreleased area

on-tube_2 turns

on-tube_12 turns

on-tube_20 turns

273.5

結合表5.2.2.1 與第二章各應變分量分佈的理論模擬(式(2.10)和式(2.11))得到 圖5.2.2.2，圖下方為量子井樣品的結構。線段是理論模擬的各應變分量對深度分 佈關係，圓點為量子井微米捲管的拉曼量測計算結果。實驗和理論結果非常符合 的，理論計算的是一圈捲管的應變量，實驗數據則是各材料平均的應變量，推測 是因為此樣品的應變薄膜厚度較厚，最主要拉曼訊號的貢獻只於最外層管壁，所 以得到理論值和實驗值非常吻合的好結果。

0 5 10 15 20 25 30 35

0.00 0.01 0.02 0.03

y _H nm _L

St ra in

GaAs 6nm In

0.2

Ga

0.8

As

10nm

Al

0.4

Ga

0.6

As 9nm

Al

0.4

Ga

0.6

As 9nm

ε hydro

ε _x

ε _z ε y

圖 5.2.2.2 量子井多層微米捲管【樣品 Lm4915】內，各應變分量對深度的分 佈模擬關係(線段)、量測值(圓點●)

5.2.3 微米捲管熱效應 — 室溫微型拉曼 (μ-Raman) 變功率分析

100 150 200 250 300

0

Raman Intensity (arb. u.)

Raman shift (cm

^-1

)

以 2mW 雷射光(藍虛線) 量測微米捲管上的拉曼頻譜，得到 GaAs-like LO phonon 峰值為 285

cm

⁻¹，換以5mW 雷射光(紅點線) 量測同一微米捲管，則主峰 值位移至 282

cm

⁻¹，不同功率雷射造成的位移量為 -3

cm

⁻¹，推算得到溫度差約 171K。若再次提高雷射光功率至 10mW，拉曼光譜上出現三根峰值，其中峰值 276

cm

⁻¹應該是GaAs-like LO phonon 頻率，隨雷射功率增大，峰值愈寬，與 2mW 雷射功率作比較，峰值位移量為9

cm

⁻¹，推算溫度差為514K。峰值 238

cm

⁻¹應該 是DATO 訊號，推測來自於結構的極度不均勻，因為此時於 CCD 即時照相機影 像看見捲管已經燒破一個洞，如圖 5.2.3.1(c)，表示捲管量測區域已被氧化，其 結構和材料組成已改變，其中140

cm

⁻¹至200

cm

⁻¹間有許多寬胖峰推測就是GaAs 氧化物的訊號。

雷射光於微米捲管上局部加熱的效應顯著，間接確認了微米捲管極差的導熱 率，不過這也是半導體微米捲管優於其他材料和結構的一樣特點，我們善用此特 性來量測其光電和熱電效應，皆有非常意想不到的的成果，於之後立即見曉。

在文檔中 三五族半導體微米捲管及其光電與熱電效應研究 (頁 48-59)