3-1 Samples
實驗上所使用的樣品是請交通大學電子系博士班羅明城與凌鴻緒學長幫我 們利用分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy，MBE)成長的，樣品為 InAs/GaAs Self-assumabled Quantum Dots (QDs)、InAs/GaAs Self-assumabled Quantum Rings (QRs)與介於 QDs 和 QRs 之間的 InAs/GaAs Self-assumabled Quantum Volcanos (QVs)。
3-1.1 Stranski-Keastanov (S-K)成長方法
首先，先簡單介紹樣品的成長方式，InAs/GaAs 奈米結構是利用 MBE，以 S-K 成長方法製作出來的，圖 3.1。S-K 模式是指異質介面中，由於晶格常數的 不匹配(約 7%)，使得磊晶層受到應力(Strain)影響而產生應變，最後造成二維平 面結構轉變成三維島狀或點狀結構的一種形式3.1-3.3。成長時會先在基板(Substrate) 上磊晶一層很薄的溼潤層(Wetting Layer，WL)，基板與溼潤層間由於晶格常數不 同，在介面處便開始產生張力，隨著磊晶層的厚度持續增加，系統的張力將會累 積到一個臨界值，此時為了降低總位能，整個系統便會自發性的釋放出一些能 量，最終造成二維的平面結構無法持續成長而轉變成三維的島狀或點狀結構。
Grundmann 與 Bimberg 曾發表出金字塔型的 InAs 量子點，假如面的角度為 45°
的話，所釋放出來的能量會比同體積的二維平面結構高出60%，因此這種自發行 的結構轉變，確實能使整體結構趨向一個較穩定的狀態3.4。
其他也有晶格常數差異較小的(約 1%以下)，由於張力累積不大，只能維持 原本的二維平面結構，此模式稱為Frank van der Merve (FM)磊晶法；若是晶格常 數差異較大(＜7%)，則因應力過大，在還沒形成二維平面結構之前，已經形成三 維的島狀結構，此模式稱為Volmer-Weber (VW)磊晶法1.4。
圖3.1 S-K 磊晶法流程圖
3-1.2 InAs/GaAs Self-assumabled Quantum Dots
實驗的樣品皆成長於GaAs Substrate (001)面上，MBE 機台為 Varian GENⅡ Solid-source MBE System。
量子點，圖3.2，的製作大致分成下列幾個步驟：
1. 在 600℃的環境下成長 200nm GaAs Buffer Layer 來覆蓋 Substrate；
2. 成長一層 30nm Al0.3GaAs 當作載子侷限層(Carrier Confine Layer)；
3. 成長一層 150nm GaAs，此層又稱為 Barrier Layer；
4. Barrier Layer 成長階段的最後過程中會將溫度從 600℃降至 520℃，接著 成 長 2.6 分 子 層 (Monolayer) 的 InAs ， 磊 晶 的 速 率 大 約 控 制 在 0.056
μ m / hr
。InAs 與 GaAs 的晶格常數大約相差 7.2%，因此結構會自 發性的形成點狀結構(QDs)。5. 當量子點形成後，覆蓋一層 150nm GaAs，此過程中會將溫度升回 600℃；
6. 接著成長 30nm Al0.3GaAs，配合步驟 2 所成長的 Al0.3GaAs，在實驗時可 確保受光激發的載子，將被侷限於步驟2~6 的結構當中；
7. 最後重複步驟 3、4，製作出條件一樣的量子點，而此層的目的是為了保 護結構，並且利於結構形貌的量測。
實驗所使用的量子點樣品總共有三種，上述的步驟是樣品一(lm4683)的製作方 法；樣品二(lm4628)與樣品三(lm4630)於步驟 4 中將溫度降至 480℃，並且成長 2.4 Monolayer 的 InAs，而樣品二更重覆地成長 10 層的量子點，圖 3.3。
圖3.2 量子點的結構意示圖
3-1.3 InAs/GaAs Self-assumabled Quantum Rings
量子環，圖3.4，的製作是在量子點形成時，沉積一層約 2nm GaAs (Capping Layer)，由於量子點受到周圍 GaAs 張力的拉扯，中間部分便會凹陷下去而形成 環狀的結構，圖3.5，張力作用時間越長，中間凹陷的程度也越深1.14。
實驗所使用的量子環樣品總共有四種，樣品四(lm4593)、樣品五(lm4729)、
樣品六(lm4691)是以樣品一為基礎，經過不同時間拉扯後所形成的量子環結構，
其中樣品四與樣品五由於作用時間較短造成凹陷程度較淺，因此又類似火山形結 構(Quantum Volcanos，QVs)。樣品七(lm4642)則是步驟 4 中溫度降至 540℃，接 著製作出來的量子環。
圖3.3 10 層的量子點
圖3.4 量子環的結構意示圖
圖3.5 量子點受到周圍外力的拉扯，而轉變成量子環
3-2 Morphology
3-2.1 Atomic Force Microscopy
AFM 是利用原子間的凡得瓦力(Van de Waals Force)所發長出來的一項量測 技術，量測時利用一個極細的探針掃描樣品的表面。探針因為靠近或是遠離樣品 表面而會有排斥或是吸引的變化，由這些資訊便能取得樣品表面高低起伏的形 貌 。 我 們 量 測 樣 品 所 使 用 的 AFM 是 Tapping Mode 的 AFM ， 型 號 是 Digital-Instrument-D3100。
圖3.6 為樣品二(lm4628)與樣品三(lm4630)量子點的 AFM 表面形貌圖，根據 截面(Cross Section)分析的估計，樣品二與樣品三量子點的底約 20nm，高約 2nm，
密度約1.2×1011
cm
−2。圖3.6 1×1
μ m
2AFM，(a)樣品二(lm4628)；(b)樣品三(lm4630)圖 3.7 為樣品七(lm4642)量子環的 AFM 表面形貌圖，樣品七量子環的底約 60nm，高約 1nm，中間凹陷的深度約 2nm，密度約1.3×1010
cm
−2。圖3.7 1×1
μ m
2AFM，樣品七(lm4642)圖 3.8 為同一製程條件底下，量子點演變至量子環過程中各個奈米結構的 AFM 表面形貌圖，此四個樣品的密度約 。樣品一(lm4683)量子點的 底約40nm，高約 14nm；樣品四(lm4593) QVs 的底約 50nm，高約 2nm，中間凹 陷的深度約0.8nm；樣品五(lm4729) QVs 的底約 55nm，高約 1.7nm，中間凹陷 的深度約 2nm；樣品六(lm4691)量子環的底約 60nm，高約 1nm，中間凹陷的深 度約1.5nm。
2
1010
2×
cm
−圖3.8 1×1
μ m
2AFM，(a)樣品一(lm4683)；(b)樣品四(lm4593)；
(c)樣品五(lm4729)；(d)樣品六(lm4691)
3-2.2 Transmission Electron Microscopy
利用AFM 量測量子環的表面結構時，可能會對於判斷中心凹陷的深度有一 定的誤差，因此我們再次利用TEM 去確定量子環的結構型態。在此，我們量測 樣品是使用場發射的TEM (Field Emission Transmission Electron Microscope)，型 號是JEOL，JEM-2100F。
圖 3.9 是樣品六(lm4691)量子環的大範圍側邊截面圖，中間深色的部份是量
子環的結構層。由於是環狀結構，因此我們將兩個大黑點配成一組，認定為一顆 量子環，然而大黑點也有可能製作試片時恰巧切到量子環周圍的部份，因此並不 是剛好都能找到兩個黑點為一組的情況。圖 3.10 是單顆量子環在較高解析度下 的TEM 圖，黑點的高約 3~5nm，寬約 15~20nm 左右，然而圖中並不是很容易地 能判斷出量子環凹陷的深度。此處認定的單顆量子環是配合AFM 量得的尺度所 猜測的，換句話說，我們觀察到的也有可能是兩顆量子環周圍的部份。因此若要 得到單顆量子環的真正結構，可能還需要配合多個角度的影像，例如 Top View 等，做更精確的判定。
圖3.9 量子環的大範圍側邊截面圖
圖3.10 單顆量子環的形貌圖
3-3 Steady-state PL Experiment Setup
量測穩定態光譜的目的，除了要知道樣品的放光範圍、放光強度之外，主要 也是為了定義出時間解析光譜所要鎖定的量測波長，首先將介紹一下穩定態光譜 的實驗架設情形。
穩定態光譜的架設主要分為雷射光源、光譜儀以及偵測器幾個部份，圖 3.11。我們使用的雷射光源為攙鈦藍寶石雷射(Self-mode-locked Ti：sapphire Laser)，此雷射是 Coherent 公司的產品，型號是 Mira 900S。Ti：Sapphire Laser 是一典型的固態雷射，由於具有相當寬的增益頻寬，因此具有很好的波長可調 性，波長調控範圍大約在700nm~980nm，雷射脈衝寬度約 150fs。Ti：Sapphire Laser 本身是一部震盪器(Oscillator)，必須有另一道雷射當作激發源才能產生出超快雷 射脈衝，而我們同樣使用Coherent 公司出產的連續波(Continuous Wave，CW)固 態二極體激發倍頻Nd：YVO4雷射(Solid-state Diode-pumped, Frequency-doubled Nd：YVO4 Laser)，型號是 VerdiTM V6，當作激發源。Diode Laser 波長在 532nm，
最大功率約6W，在這個情況下，Ti：Sapphire Laser 於波長 800nm 時，平均功率 約為900mW。針對 Ti：Sapphire Laser 的工作原理，將於下一節作敘述。
光譜儀為Jobin Yvon 公司生產的 GEMINI 180，此台光譜儀的特點在於系統 內擁有三個狹縫(Slit)，除了出口與入口外，中間還有一個狹縫可以控制收光的大 小，由於此設計，在實驗量測時可以避免掉不必要的散射光或是其他雜訊。光譜 儀所使用的兩塊光柵(Grating)解析度為 1200 。PL 光譜偵測是使用 InGaAs 材料來當作光偵測器，響應的範圍約在800nm~1500nm 的近紅外波段，並且配合 電子式的冷卻系統(TE Cool)，可以得到較佳的偵測效率。
mm gr /
實驗時先利用一台Ocean Optical 的小型光譜儀，可以讓我們迅速的調整 Ti：
Sapphire Laser 的波長至所需要的波段，接著利用光衰減片(Neutral Density Filter，ND Filter)來控制雷射的功率大小，然後將雷射打在樣品上。樣品放射出 來的PL 經過光譜儀解析之後，再經由偵測器接收以及訊號的轉換，最後便呈現
在電腦螢幕上。藉著調整收光鏡的位置，我們便能順利的得到最佳的光譜訊號。
圖3.11 SSPL 實驗架設圖
變溫穩定態光譜部分則是利用中原大學沈志霖教授實驗室所組裝的螢光系 統，圖 3.12，其中變溫系統包括溫度控制器、低溫冷卻腔(Low-temperature Chamber)、真空幫浦(Mechanical Pump)以及循環液態氦壓縮機(Close-cycled Helium Cryostat)。量測時，樣品將置入冷卻腔內，溫度可控制在 9K~300K 之間。
雷射光源是PicoQuant 公司生產的脈衝式二極體雷射(Pulsed Diode Laser)，型號 是PDL 800-B，輸出波長為 635nm。光譜儀的部份是 Jobin Yvon 公司生產的 TRIAX 550，並且使用 1200 的Grating。光譜偵測部分，同樣使用了 InGaAs 偵測 器與TE Cool 冷卻系統，來接收近紅外波段的 PL 訊號。
mm gr /
圖3.12 變溫 SSPL 實驗架設圖
3-4 Time-resolved PL Experiment Setup
3-4.1 Self-mode-locked Ti：sapphire Laser
Ti：Sapphire Laser 是實驗裡提供超快雷射脈衝的重要光源，其可輸出半高 寬(Full Width at Half Maximum，FWHM)約 150fs 的雷射脈衝，脈衝的 Repetition Rate 為 76MHz。
雷射共振腔內以Ti3+：Al2O3晶體作為增益介質(Gain Medium)，晶體內由 Ti3+
離子取代Al2O3結構中的Al3+離子，掺雜濃度約為0.03~0.3%，Ti3+離子的掺雜也 因而改變了原本晶體的光學性質。由於Ti3+離子的半徑比Al3+離子的半徑約大了 26%，因此導致 Ti3+周圍環境產生局部扭曲，而此扭曲也造成了局部電場並且使 得激發態 2Eg分裂，最終行成約 100nm 的吸收譜帶。圖 3.13 所示，Ti3+：Al2O3
晶體吸收光譜約在 400~600nm 的範圍，而放射光譜紅移到更低能量(~800nm)且 譜帶更寬，約在600~1000nm 的範圍。寬廣的放光範圍，使得 Ti：Sapphire Laser 輸出的雷射光波長可以在 700~1000 之間任意地調變，由於此特點，Ti3+：Al2O3
晶體也因而迅速地取代染料雷射，並且提供了方便性、穩定性等優點。
圖3.13 Ti3+：Al2O3 Crystal 吸收與放射光譜
由於Ti3+：Al2O3晶體擁有很大的增益頻寬，結合鎖模技術(Mode-locking)之 後，便能提供非常窄的脈衝寬度。
圖3.14 為實驗室的 Ti：Sapphire Laser Oscillator，P1 右手邊為副共振腔，主要是 增益頻寬的部份；P1 左手邊為主共振腔，主要是調整 Pump Laser 入射的角度及 群速彌散補償系統。為了得到超短的雷射脈衝，必須達到幾個關鍵的因素，第一 是要有足夠頻寬的Gain Medium；第二是要有適當的 Mode-locking 機制；第三是 要有色散補償的組件3.5-3.6。
M：Mirror；L：Lens；P：Prism；BRF：Birefringent Filter；OC：Output Coupler
圖3.14 Self-mode-locked Ti：Sapphire Laser 光學組件 (Mira 900S，Coherent)
由 傅 立 葉 轉 換(Fourier Transform)得知，要得到超短的雷射脈衝，Gain Medium 的放光頻寬必須要夠大，如此才能提供足夠的頻率成分來組合成超短脈
由 傅 立 葉 轉 換(Fourier Transform)得知，要得到超短的雷射脈衝，Gain Medium 的放光頻寬必須要夠大，如此才能提供足夠的頻率成分來組合成超短脈