第二章 樣品的製作及量測系統
2.1 晶片的成長
本論文所研究的樣品皆為博士班蕭茹雄學長於工研院 MBE 磊晶製作，樣品分 成兩個部分，以下分別說明：
摻入銻(Sb)量子點的樣品是以分子束磊晶(Molecular beam epitaxy)來成 長，使用(100)方向n+-type GaAs substrate。先成長 0.3μm 矽摻雜 GaAs buffer layer (3×1016cm-3)，長晶溫度為 595°C，成長速率 3.03Å/s，之後將基板溫度降 至 485°C成長InAs 的量子點，長晶速率約 0.256Å/s，並同步摻入銻(Sb)，設定 銻分子束的等效壓力(Beam Equivalent Pressure,BEP)為 4×10-7Torr。我們做了 2.0ML(24sec)、2.2ML(26sec)、2.8ML(32.9sec)三個不同磊晶厚度量子點，接著 覆蓋 100Å低溫GaAs (LT cap)在QD上面，溫度約為 485oC～500oC，最後再覆蓋 0.3 μm GaAs:Si (3×1016) cap layer，長晶溫度為 595°C，此為樣品的結構與長晶方 式。另外為了做原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope)掃描，我們於表面成 長與結構一樣的量子點。圖 2.1 為摻入銻(Sb)量子點系列樣品的能帶與結構圖，
相關長晶參數整理列於表[2-1]。
在磊晶過程中，我們是藉由反射式高能電子束繞射(Reflection High-Energy Electron Diffraction, RHEED)圖形來對樣品表面做及時監控。在成長量子點過 程中，當 InAsSb 開始磊晶於 GaAs 表面時，圖形是線形(streaky)圖案，表示樣 品處於二維成長結構；當 InAsSb 繼續成長，RHEED 的圖案會從原先的線形轉變成 斑點狀(spotty)的圖案，表示 InAs 的成長模式從原先的二維成長轉變成三維成 長，開始形成量子點結構。
在摻入銻(Sb)量子點樣品成長有一項重要結論：我們另外在相同長晶條件 下，成長 InAs 量子點而不摻入銻(Sb)，發現在 1.68ML(19.9sec)形成量子點；相
晶成核的時間約 0.32ML (4.1sec)，很明顯這就是表面活化效應(surfactant effect)所導致的結果。
摻入氮(N)量子點的樣品是以分子束磊晶(Molecular beam epitaxy)來成 長，使用(100)方向n-type GaAs substrate。先成長 0.3μm 矽摻雜 GaAs buffer layer (8×1016cm-3)，長晶溫度為 595°C，之後將基板溫度降至適當溫度再依序成 長InAs 的量子點(QD)，同時以射頻電漿（RF Plasma）游離氮分子的方式將 17%
的氮原子加入InAs(QD) layer，接著覆蓋 60Å InGaAs量子井(QW)在QD上面，活性 層的長晶溫度約為 485oC～500oC，最後再覆蓋 0.3μm GaAs:Si (8×1016) cap layer，長晶溫度為 595°C，此為樣品的結構與長晶方式。另外還有同樣磊晶條件 但不摻入氮(N)的對照樣品。圖 2.2 為摻入氮(N)量子點與其對照樣品的能帶與結 構圖，相關長晶參數整理列於表[2-2]。
表[2-1]
結構 編號 n-GaAs 層
摻雜濃度，溫度 InAs 長晶速率，溫度 InAs 層厚度 InAs：Sb Sh454 3×1016cm-3 ，595°C 0.256Å/sec，485°C 2.0ML InAs：Sb SH435 3×1016cm-3，595°C 0.256Å/sec，485°C 2.2ML InAs：Sb SH438 3×1016cm-3，595°C 0.256Å/sec，485°C 2.8ML
表[2-2]
結構 編號 n-GaAs 層
摻雜濃度，溫度 長晶速率，溫度 氮含量 InAs/InGaAs Tr502 8×1016cm-3，600°C 1.86Ao/sec，485°C 0%
InAsN/InGaAs tr507 8×1016cm-3，600°C 1.86Ao/sec，485°C 17%
2.1 電極的製作
樣品的電極製作分為兩個方面，分別為正面的蕭基接面(Schottky contact) 製作與背面的歐姆接面(Ohmic contact)製作。
2.2.1 蕭基接面(Schottky contact)製作
電性量測所使用的正電極端為Schottky contact，所以經由MBE成長出來的 晶片，必須在表面蒸鍍金屬圖形(pattern)。我們使用的金屬為鋁(Al)作為蕭基 電極，圓形圖形直徑為 800μm(面積為 0.005024cm-2)，Schottky contact的好壞 會直接影響金屬與半導體接面的電性，因此在蒸鍍前的清洗動作非常重要。以下 為晶片清洗步驟：
(1)置入去離子水(D.I. water)用超聲波震盪器震盪 5 分鐘→去除一般雜質 (2)置入丙酮(A.C.E)溶液中用超聲波震盪器震盪 5 分鐘→去除油漬。
(3)置入去離子水中用超聲波震盪器震盪 5 分鐘→去除丙酮。
(4)將晶片放入稀釋過的鹽酸溶液(HCl:H20=1:1)中 10 秒→去除陽離子以及 表面的氧化層。
(5)置入去離子水中用超聲波震盪器震盪 5 分鐘→去除殘餘的鹽酸溶液，並 用氮氣吹乾。
清洗完成後，迅速將晶片放於載具(holder)上，放上金屬遮罩(mask)固定後 (事前先將載具跟金屬遮罩用丙酮擦拭過並用氮氣吹乾)一起放入蒸鍍機中固定 放好，接下來將清潔過後的鎢舟(Tungsten boat)及靶材鋁放入蒸鍍機中，用pump 將真空度抽到 5×10-6 torr以下時即可以開始蒸鍍，通電流約 50A加熱使鋁汽化蒸 鍍在晶片上，如此即完成正面的Schottky contact製作。
2.2.2 歐姆接面(Ohmic contact)製作
完成正面Schottky contact的製作後，接著在樣品背面做ohmic contact。
我們在已蒸鍍完成的樣品背面黏上二至三顆銦(Indium)球，送入通入氮氣的高溫
爐管(300℃)中約 10~30 秒鐘，再對背面任兩點銦做I-V量測，再回爐管直到確定 電阻降至小於 10 歐姆，這是為了避免背面電阻過大影響量測。接著將矽基板放 在加熱平台上加熱至 2000C(超過In熔點)，均勻地塗上一層銦，藉著銦將樣品背 面黏於矽基板上，即完成背面ohmic contact的製作。
2.3 量測系統簡介
量測系統分為光性量測跟電性量測兩部分。
2.3.1 光性量測系統
本實驗所使用的 PL(Photoluminescence)量測系統是由楊賜麟老師實驗室所 提供，所使用的儀器設備有：
(1) 固態雷射(solid-state laser)：此儀器為 Excel 公司所產，型號為 Excel 1000，波長為 532 nm，驅動電流 6 安培，雷射穩定度 1.9%內，RMS 平均 雜訊 0.7%，最大輸出功率為 1.5W，此雷射的目的是用來激發樣品發光。
(2)衰減濾光片組(Variable Neutral Density Filter)：配合雷射功率依需 要使用適當的衰減片(filter)來達到所要的入射功率。
(3)光遮斷器(Optical chopper)：型號為 NEW FOCUS 3501，我們選擇的葉片 形式為 7/5 孔，所使用的頻率為 500HZ，其目的在使雷射激發光源調制成 方波的形式。
(4)聚光透鏡組(Focus lens)：用來聚焦雷射光與 PL 訊號
(5)溫控裝置:包含真空腔體(chamber)、降溫用壓縮機(compressor)、機械 幫浦(mechanical pump)、溫控器(temperature controller)。在降溫之 前，先以機械幫浦將真空腔體抽至粗真空(10-3torr)，避免因為水氣凝 結，造成溫度無法下降，然後再使用氦氣作為冷媒的壓縮機降溫，因為 此壓縮機是水冷式的，所以在開壓縮機之前，必須先開冷卻水，以防止 壓縮機過熱造成損害。等溫度降至最低，再使用溫控器去設定想要量取 的環境溫度。
(6)冷卻水冷凍系統：冷卻水系統是 Firstek Scientific 公司出產，型號 CF-100，主要用來冷卻壓縮機與固態雷射。
(7)高通滤光片(long-pass filter)：本實驗所使用的是 695 nm 的 long-pass filter，其目的為濾掉雷射光，避免使雷射光進入光偵測器中。
(8)分光儀(monochromator)：此儀器的型號為 ARC Spectro-275，其焦距長 度為 27.5 cm，內部裝置三塊光柵，光柵的選擇是依據實驗所量測的波長 範圍而定，而本實驗皆屬長波長範圍，因此使用的光柵為 600 groove/mm (BLZ=1000 nm)。
(9)光偵測器(photodetector)：此儀器是由 Electro-Optical Systems 公司 所生產的砷化銦鎵(InGaAs)光偵測器，其在 300K 的適用波長範圍為 800nm 至 1800nm。
(10)訊號放大器(multi-meter)：將光偵測器的訊號整理放大再傳給鎖相放 大器。
(11)鎖相放大器(Lock-in Amplifier)：此儀器的型號為 STANDFORD RESEARCH SYSTEM SR850，其參考頻率限制在 105kHZ 以下，參考頻率的電壓必須在 400mV 以上，其目的在於測量微小的交流訊號。
如圖 2.3 所示為整個 PL 量測系統之架構圖，首先由最大輸出功率為 1.5W 固 態雷射(solid-state laser)發射出波長為 532 nm 的雷射光，經由一片或兩片衰 減片(VNDF)降低雷射功率(視實驗需要)，然後將雷射光通過光遮斷器，對雷射光 進行調變，並將光遮斷器的頻率送至鎖相放大器作為參考頻率，經過光遮斷器的 雷射光經由第一面透鏡聚焦在樣品上，對樣品進行激發(excitation)。而樣品被 激發所放射的螢光再經由第二片透鏡聚焦在分光儀的狹縫中進行分光，且在光進 入狹縫前，使用一片 695 nm 的高通濾光片(long pass filter)，其目的即在於 濾掉雷射光，以避免其對訊號產生干擾(因為螢光相較於雷射光是屬於非常微弱 的光)，之後螢光會由分光儀背後的狹縫射出，再經由光偵測器去接收，最後將 偵測到的訊號送至鎖相放大器處理之後再傳回電腦，我們在電腦上進行操控動 作。
2.3.2 電性量測系統
(1)Keithley 236：用來量測電流-電壓(I-V)的特性曲線。
(2)HP 4194 阻抗/增益相位分析儀：主要用來量測電容-電壓(C-V)、電容-頻率 (C-F，亦稱為 admittance spectroscopy)和暫態電容(transient
capacitance)等特性曲線。
(3)DLTS 系統(SULA technology)：包含脈衝產生器、溫控系統、雙閘訊號平 均器、電容計、降溫系統及水平垂直紀錄器等。
(4)變溫量測系統：包括 Cryogenic、真空幫浦、真空腔體、LakeShore 330 溫 控加熱器、三軸探針台及液態氮鋼瓶。
所有實驗量測的儀器經由 GPIB 介面與個人電腦相互連接，我們於電腦上操 控儀器與存取數據。
2.3.3 AFM 量測系統
2.3.3.1 掃描探針顯微鏡(Scan Probe Microscope, SPM)歷史發展
最早發明的光學顯微鏡，能觀察我們肉眼看不見的生物細胞，後來發明電子 顯微鏡，能進一步看到細胞內部的結構。1982年IBM公司蘇黎士研究實驗室的兩 位科學家比尼西(G.Binnig）和盧勒(H.Rohrer)利用原子之間的穿隧電流效應發 明了掃描穿隧顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope,STM），進入到奈米層次，
奈米相當於頭髮絲的幾十萬分之一，使人們第一次直觀地看到了原子、分子，使 兩位科學家獲得了1986年的諾貝爾物理學獎。為克服樣品需為導體的缺點，其後 1986年原子力顯微鏡(AFM)誕生，拓寬了應用範圍，對物質表面的微結構資訊，
如成分、溫度、硬度、表面電位勢和電容以及磁、電、黏滯、摩擦等資訊進行測 量和分析。
2.3.3.2 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)工作原理
圖 2.5(a)所示，是由針尖附在懸臂樑前端所組成，一般成份為 Si 或 Si3N4，
尖端直徑 20 至 100 奈米。當探針與樣品接觸時，針尖原子與樣品表面原子的作 用力使探針在垂直方向移動，簡單的說就是樣品表面高低起伏使探針偏移，而偏 移量的偵測如圖 2.5(c)所示，光由二極體雷射出來後，聚焦在鍍有金屬膜的探針 尖端背面，然後光束被反射至四象限光電二極體，再經過放大電路轉成電壓訊號 後，便可同時得到上下及左右偏移量，轉換成相對應的表面型態圖。
2.3.3.3 凡得瓦力(Vander Waals Force)
原子力顯微鏡乃是利用原子與原子間的凡得瓦力(Vander Waals Force)來促 使 AFM 懸臂樑產生偏斜，利用此偏斜程度轉換成相對應的表面型態圖。當 AFM 探 針尖端與試片材料表面間的距離小到只有幾個奈米距離時，探針尖端的原子與試 片材料表面原子間會產生相互吸引力，這種力就是所謂的凡得瓦力。AFM 針尖與 試片表面間的凡得瓦力與距離的關係曲線，如圖 2.5(b)所示。凡得瓦力來源主要 是電偶極(dipole)間的交互作用，力的大小與距離的七次方成反比。當 AFM 操作 在接觸模式(Contact mode)時，針尖與試片表面的距離小到 1Å 到 5Å 時，針尖 與試片表面之間會產生排斥力，此乃是因為針尖原子的波函數與試片表面原子的 波函數產生重疊，即針尖原子與試片表面原子的外層電子佔有相同的量子狀態，
依據庖立不相容原理(Pauli exclusion principle)得知，其中必須有電子躍遷 至較高的能態，如此系統位能就會增加，產生排斥力。
2.3.3.4 原子力顯微鏡工作模式
一般 AFM 模式依工作距離如圖 2.5(b)分為：
(1)接觸式(contact mode)：利用排斥力，一般的接觸式量測，探針和試片材料 間的作用力約為 0.1nN ~ 100nN 之間，但是當掃描的接觸面積極小時，容易 形成過大的作用力損壞探針與試片。
(2)非接觸式(non-contact mode)：利用吸引力，一般而言，AFM 在大氣中操作，
試片表面會吸附一層水膜，對於距離的變化較不靈敏，解析度差。