此章節，我將介紹有關實驗上所使用的樣品及儀器設備。樣品方面，會
先介紹樣品成長方法、原理和參數，儀器設備方面，會先介紹兩套光學系 統包括共焦顯微量測光學系統和低溫高磁螢光激發光學系統，在這之中也 會介紹所使用雷射的原理。實驗所使用的樣品是請交通大學電子系博士班 羅明城學長和凌鴻緒學長利用分子束磊晶成長(Molecular Beam Epitaxy，
MBE)而成的。
4-1 樣品介紹
4-1-1 量子點製程原理(Stranski-Keastanov method)
先前，有稍微介紹過分子束磊晶成長方式有三種，層接式(Frank-van der Merwe) 、 島 嶼 式 (Volmer-Weber mode) 、 先 層 接 後 島 嶼 式 (Stranski-Krastanow)，而我們所拿到的樣品是利用先層接後島嶼式(S-K) 磊晶模式成長，其主要磊晶流程如圖 4.1。S-K 磊晶模式主要是利用異質材 料其發生在介面能較小的晶格常數不匹配(大約 7%)情況下，S-K 磊晶系統 總自由能，如下式 4.1：
L
S
I ，(4.1) ：磊晶層自由能，L
S：成長基板自由能，
I：介面自由能因為成長發生在介面能較小，
<0 故開始磊晶在基板上以層狀方式成長，成長出一層很薄的濕潤層(wetting layer)，但是因為基板和濕潤層間晶格 常數不相匹配，隨著磊晶層厚度增加應力也隨之增加，使得介面能變大，
直到張力累積到一個臨界值時，介面能便大於基板的自由能，為了降低總 位能，使得總自由能變號(
0)，系統開始自發性的釋放能量，造成二維 層狀式無法繼續成長最後轉變成島狀模式成長自發形成島狀或點狀結構，此結構即是量子點[4.1-4.2]。
圖 4.1、S-K 磊晶模式流程圖
Barrier Layer
層狀沉積 Wetting Layer
Barrier Layer
(Substrate)
4-1-2 自組裝 InAs/GaAs 量子點製程步驟
實驗用樣品都是成長在 GaAs(001)方向的面上，分子束磊晶基台為 Varian GEN Ⅱ Solid-source MBE system。
量子點結構示意圖，如圖 4.2，製備實驗樣品主要分成下列步驟：
1.在600℃的環境下，在GaAs substrate上成長200nm的GaAs Buffer Layer。
2.在相同溫度下，成長一層30nm Al0.3GaAs為載子侷限層(Carrier Confine Layer)。
3.接著在載子侷限層上方再成長一層150nm GaAs，此層稱之為 Barrier Layer。
4.在Barrier Layer成長結束過程中會將溫度由600℃降低到520℃
後，接下來先沉積2.6分子層，約0.78nm(Monolayer，ML)的InAs，
磊晶過程中，磊晶速率約略控制在0.056μm/hr，InAs和GaAs彼此 間晶常常數約略約略7.2%，最後形成誘發式自組裝點狀結構，稱之 為量子點(QDs)。
5.量子點自發形成後，覆蓋一層150nm GaAs，在這程序中會將溫度上 升回600℃。
6.接著為了配合步驟2，所以要再成長一層30nm Al0.3GaAsy載子侷限 層，以確保光學實驗中雷射激發的載子，將被侷限在2-6步驟的結
構當中。
7.最後重複3、4步驟，成長出條件相同的量子點，此層可以保護結構 並且方便在不用破壞量子點的狀態下，可以進行AFM量測得知量子 點結構形貌。
此次研究實驗中，所使用的樣品有兩種，以上所敘述為樣品一(LM4683)量 子點的製程步驟，而樣品二(LM4630)量子點製程中主要不同於樣品一為步 驟 4 ， 在 此 步 驟 4 中 會 將 溫 度 降 低 至 480 ℃ ， 成 長 濕 潤 層 厚 度 約 2.4 Monolayer，約0.72nm的InAs，最後成長出比樣品一(LM4683)結構小的量子 點。
圖4.2、量子點結構示意圖
150nnm GaAs
GaAs substrate 200nm GaAs Buffer
30nnm Al0.3GaAs 150nnm GaAs 30nnm Al0.3GaAs
150nnm GaAs
4-1-3 量子點表面形貌
為了了解實驗樣品表面形貌，將使用Tapping Mode AFM (Atomic Force Microscopy)，型號為Digital-Instrument-D3100，進行表面形貌量測。
AFM基本原理是利用原子間凡得瓦力(Van de Weals Force)所發展出來 的一種表面形貌量測技術，原子間的距離與位能關係圖，如圖4.2，由圖可 知凡得瓦力隨著兩原子間距離改變，當原子間距離很近，電子雲相互接觸 時會產生斥力，相反低，當原子間距離拉遠，導致電子和原子核會互相吸 引故產生吸引力。利用此基本原理，可得三種基本的操作模式[4.3-4.5]，
如圖4.3：
(1) 利用原子斥力的變化產生樣品表面形貌稱之為接觸式（contact mode），探針與樣品距離約數Å，斥力能量大小為原子間距離倒數12 次方正比關係。
(2) 利 用 原 子 吸 引 力 的 變 化 產 生 樣 品 表 面 形 貌 稱 之 為 非 接 觸 式 (Non contact Mode)，探針和樣品距離約數十到百Å，吸引能量大小和原子 間距離倒數六次方正比關係。
(3) 利用懸桿上下擺動輕拍樣品表面，藉由振幅變化產生樣品表面形貌稱 之為tapping mode。
圖 4.3、原子間距離與位能關係圖
圖 4.4、三種 AFM Mode
圖 4.5 為樣品一(LM4683)和圖 4.6 為樣品二(LM4630)量子點的 AFM 表 面形貌圖，由 AFM 截面圖可以估計，樣品一(LM4683)底約 40nm；高約 14nm；
樣品密度約 2×1010cm-2。樣品二(LM4630)底約 20nm；高約 2nm；樣品密度約 1.2×1011cm-2。
Noncontact mode Contact Mode
Tapping mode
2~5nm
Non-Contact Mode
A few nm 5~100nm
Tapping Mode
Contact Mode
圖 4.5、樣品一(LM4683) AFM 表面形貌圖
圖 4.6、樣品二(LM4630) AFM 表面形貌圖
4-2 儀器設備
4-2-1 共焦顯微光激螢光系統(Confocal System)
光學顯微技術發展至今大約好幾百年，由於傳統光學顯微鏡在觀察較細
的光孔穴(optical aperture)的半角。N.A.(numerical aperture)：數值 孔徑 (N.A.=sin
=微理論提高光學顯微鏡的解析度，直到雷射和個人電腦發明後共焦顯微技 術才轉變成實用的技術。1969 年，Egbger 等人因為雷射的出現所以發展出 第一台雷射共焦掃描顯微系統[4.7]。
之後，由 T. Wilson[4.8]與 C.J.R. Sheppard[4.9]紛紛提出共焦顯微成象 詳細的理論，再經由 Min Gu[4.10]把共焦顯微理論發揚光大。
直到 1987 年，共焦顯微系統經過一番改進和研發後，終於第一台商業 化共焦顯微系統問世。十多年來，雷射技術和個人電腦蓬勃發展，更使共 焦顯微系統技術更加完備。
共焦顯微系統基本原理：顯微鏡物鏡和成像透鏡焦點位置互相對稱，使 兩 點 具 有 共 軛 關 係 ， 故 這 樣 的 顯 微 系 統 稱 之 為 共 焦 顯 微 系 統 ， 如 圖 4.8[4.11]。這樣的結構系統，雷射激發光經過物鏡聚焦在焦平面上並激發 樣品放射出螢光或雷射造成的散射光，經由樣品激發後產生的訊號經過物 鏡(Objective)收斂後再經過分光鏡(Beam slitter)分光，最後透鏡聚焦後 再通過共焦針孔(confocal pin hole)導入光偵測器(Photon Detector)偵 測光強度，光路中具有共焦針孔的目的在於可以阻擋住來自物鏡聚焦區域 外的反射雜光，故偵測器只會精準偵測到聚焦平面上的訊號。當量測中需 要濾除雷射波段的話，則我們會在光訊號進到光偵測器前放入雷射濾片 (Notch Filter)。經由此設計結構我們可以橫縱向移動進行量測取得半導 體樣品光激發螢光三為輪廓，且訊號也會比傳統光學系統佳。我們可以經
由計算得知共焦光學顯微鏡橫縱向解析度，如式 4.3[4.12-4.14]： 公司商業化產品，型號為 Lab RAM HR800，解像力為 Focus graduation 1 μm ，內建雷射光源波長為 632.8nm 的氣體 He-Ne 雷射，光柵解析度為 600 gr/mm(1000nm blazed,) 。 光 偵 測 器 是 使 用 InGaAs(Indium Gallium Arsenide)，其偵測範圍在 800~1600nm。
圖 4.7、Marvin Minsky 所提出共焦掃描顯微理論結構
圖 4.8、共焦顯微系統原理示意圖
4-2-1-1 He-Ne Laser
He-Ne Laser 是連續輸出的氣體雷射，雷射工作物質有混合氣體，氦氣 和氖氣兩種。雖然它輸出功率沒有很高，但是光 s 束品質很好，器件結構 和操作都很簡單，輸出雷射光又是屬於可見光(632.8nm)，故常被廣泛應用。
雖然單獨氖氣也可以激發出雷射光，如果再加上六倍的氖氣則會使雷射
光強度增加 200 倍，主要是因為氖氣和氦氣混合後，原子可以躍遷到較高 能階且停留的生命期也較長所導致。
He-Ne 雷射基本原理，如圖 4.9 和圖 4.10[4.15、4.16]為裝有氦氣和氖 氣得電離子管，當電離子管高壓放電的時候，氦原子會先受到激發躍遷到
較穩定的能態-亞穩態(
2
3S
1and 2
1S
0)，在此能態上就不容易跳到低的能態放 光，之後因為氦氣和氖氣碰撞，藉以消除多餘的能量，產生共振腔能量轉 移，而將能量轉換給氖回到基態。因為氖原子吸收氦所給的能量躍遷到高 能態(3S2)而生倒反分佈，反應方程式如式 4.4：He(21S)* + Ne + ΔE → He(11S) + Ne3s2* ，(4.4)
此高能態的氖可能會有三種不同的躍遷方式，最有可能是放出 3391.2nm 的 紅外光，在大氣中走不了多遠，用處較少，第二是 632.8nm(3s2 → 2p4)紅 光，第三是 1152.3nm 紅外光，但能量只有 632.8nm 的 1/10，最後我們可以 利用稜鏡色散效應讓紅外光偏折回到放出 632.8nm 紅光雷射。
圖 4.9、He-Ne 雷射示意圖
圖 4.10、He-Ne laser 能級示意圖
4-2-2 螢光激發光譜系統(PLE)實驗架設
圖 4.11 所示為螢光激發光譜系統(PLE)實驗架設示意圖，實驗儀器架設 結構主要分成幾個重要得部分：激發光源、低溫系統、光譜儀和光偵測器。
先前我們有提到很多螢光激發光譜實驗都是利用鹵素燈當作激發光源再利 用光譜儀進行分光，但是因為我們實驗樣品量子點其放射螢光波段為近紅 外波段區域，所以我們最後選擇使用雷射當作激發光源，我們所使用具有 較廣的可調波段範圍連續式 Ti：Sapphire Laser。CW-Ti：Sapphire Laser 上具有自動化波長控制器，可以自動變換調整所要的激發波長，再利用
上述儀器進行 PLE 量測。
實驗時，首先，先將樣品放置在光纖末端載台上，如圖 4.12，之後將光 纖載台放入杜瓦瓶內，等待溫度降至 1.4K 進行量測。同時選定好所要使用 的雷射後，雷射光束會先經過斬光器(Copper)，斬光器同時會和前置放大 器(Preamplifier)和鎖相放大器相連結。在雷射光進入物鏡聚焦前我們在 光路中加裝一片分光鏡(Beam Splitter)，主要是因為可以分出一道雷射光 來偵測雷射光 power 值大小，藉由比例關係得知雷射進入物鏡聚焦前 power 值大小，需要做此動作是因為 CW-Ti Sapphire Laser 不同波長下會有不同 輸出功率，為了控制 PLE 實驗過程中都是在相同激發功率，故我們需要先 偵測 power 值大小再利用 Density filter 校正至固定的 power 值。最後雷 射光經過物鏡聚焦後導入光纖進入低溫系統激發樣品，如圖 4.13，光纖外 圍為八根(600μm)光纖所組成的光纖叢用來接收樣品螢光訊號。光纖叢出 口處先利用透鏡將發散的螢光收斂成平行光，再利用另外一片透鏡將平行 光聚焦到光譜儀內，再經過光柵分光進入光偵測器進行量測。實驗用光纖 傳輸最佳波段為 600-1900nm，如圖 4.14。
圖 4.11、螢光激發光譜系統示意圖
圖 4.13、物鏡聚焦進入光纖示意圖
圖 4.14、光纖傳輸最佳波段效率圖
4-2-2-1 CW Ti-Sapphire Laser 激發光源
實 驗 中 所 使 用 的 連 續 式 Ti-Sapphire Laser ， 此 雷 射 為 Spectra-Physical公司所生產的型號為3900-S，內部光路結構如圖4.15。
首 先 先 使 用 另 一 台 連 續 式 雷 射 當 作 Pump Laser ， 此 台 雷 射 一 樣 是 Spectra-Physical公司生產的 Millennia CW DPSS(Diode- Pumped Solid State) Laser，其最大輸出功率大約5W，裡面利用Nd：YAG (Neodymium doped yttrium Aluminum Garnet)晶體，放出1064nm雷射光，其能階示意圖如
首 先 先 使 用 另 一 台 連 續 式 雷 射 當 作 Pump Laser ， 此 台 雷 射 一 樣 是 Spectra-Physical公司生產的 Millennia CW DPSS(Diode- Pumped Solid State) Laser，其最大輸出功率大約5W，裡面利用Nd：YAG (Neodymium doped yttrium Aluminum Garnet)晶體，放出1064nm雷射光，其能階示意圖如