1-1 InAs/GaAs 量子點材料簡介
(1). 量子點特性與應用：
量子點是一種奈米晶體 ( nanocrystals )，其直徑僅在數個~數十奈米間，而如果 材料的特徵尺寸在三個維度上都與電子的 de Broglie 波長或電子平均自由路徑相近 或更小，電子的能量將被量化，所以就造成了類似function 的能態密度&能階分立 不連續的特性[1,2]。這種特性導致以量子點為作用區的半導體雷射具有較窄的增益頻 譜 ( gain spectrum )、低臨界電流 ( threshold current )[4]、較高飽和材料增益 ( saturation material gain ) 等優點。已經在電子或光電元件被使用，如半導體雷射[5,6] 、 電晶體[7]、光二極體 ( LEDs )[8]等，近幾年在電荷量子訊息上[9]和生物感測上[10]也有 潛在的應用。而量子點亦可拉長以 GaAs 為基底元件的放射波長，以達到光通訊所需 的波長範圍 ( 1.3~1.55μm ) ( 此範圍剛好符合光纖的透明視窗，而 1.3μm 為最小散射 的波長；1.55μm 為最小吸收的波長 )。
(2). 異質接面三種磊晶模式的成長機制：
早期的自聚式量子點是在 1988 年由 T. Itoh、Y. Iwabuchi、及 M. Katanoka 在玻 璃上成長 CdSe、CdS、和 CuCl 等的微小結晶體，來觀察其量子點光與電的特性[11]。 而利用應力誘發原理來成長量子點的磊晶方法主要有二：
1. 有機金屬氣相磊晶(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOC-VD)是一種單 向的化學反應，成長速度較快且維護方便，較適合大量生產，但成長高品質的量 子點則較具挑戰性。
2. 分子束磊晶 ( Molecular Beam Epitaxy, MBE ) 成長均勻和密集的量子點，此種成 長方式中，表面能對於量子點的成核作用很重要。優點為在成份及厚度上具有良 好的操控性，磊晶速率可精確到每秒低於一個分子層(ML/s)，品質及均勻度佳，
且可利用反射高能電子繞射 ( reflection high energy electron diffraction, RHEED )
對材料表面做即時的監控。
接著簡單介紹異質接面的三種磊晶模式[12]，這些成長模式的機制就是系統的演 變總會傾向最低的能量：
1. 層接式 ( F-vdM mode, Frank-van der Merwe mode )[13]：磊晶材料的表面能小於或 等於基板的表面能時，有利於此種成長模式。
2. 島嶼式 ( V-W mode, Volmer-Weber mode )[14]：磊晶材料的表面能大於基板的表面 能時，則利於島嶼式的模式。
3. 層接而後島嶼式 ( S-K mode, Stranski-Krastanow mode )[15]：成長幾個單層後，會 先在 GaAs 上形成沾濕層 ( wetting layer )，然後自我聚集形成島狀物，所以也稱 為自聚式量子點 ( self-assembled QDs )。此種成長方式有效的提供高密度、高均 勻度及無缺陷的量子點。但當厚度繼續增加，應力鬆弛後就會有插排等缺陷產 生。
1-1-2 Dot-in-well (DWELL)簡介
Dot-in-well 顧名思義是指量子點埋在量子井中，也就是量子點與基板間多了緩 衝層，此結構好處是可減緩量子點與基板的應力及晶格不匹配，量子點中的能階也 因多加了這層產生平移、拉長波長，相關的研究如在 InAs 和 GaAs 之間加入 InGaAs
層[16,17]，成功的將波長延伸至 1.3μm 以上，另外提高 InGaAs 層中的 In 含量和增加
InGaAs 層的厚度，可以將波長拉得更長[18]，除此之外，在 2000 年中 D. Deppe 的研 究團隊就證實了 InGaAs 的量子點成長在 InGaAs 的緩衝層上比直接成長在 GaAs 基 板上密度要高上兩倍[19]，量子點尺寸與形狀也較均勻與完美[20]。
1-1-3 氮摻雜效應
對於不同混合比例的半導體合金其能隙大小可由 Vegard’s law[29]來決定，並且加 上一個包含與混和比例無關的 bowing coefficient[30]的二次式來修正能隙，在一般三五
族的合金中，隨著晶格常數的降低能隙因而增加如圖 1-1 所示。但將摻入氮的合金中 卻得到一個晶格常數和能隙皆降低的結果，這是因為氮原子電負度很大，所以和其 他同為五族的元素相比，其有較大的 bowing coefficient，這會造成導帶會有一個明 顯的彎曲現象[31]。在 BAC ( band anticrossing ) mode 中[32]，也解釋了氮的摻雜使能隙 變小的這一現象，這是因為氮原子產生的微擾所致。氮原子會在導帶附近形成一個 共振的能帶和導帶產生強烈的交互作用，此一作用後會使得導帶分裂成兩條，在原 先的位置往上下各自移動，下移的導帶與價帶間距離減少，進而使能隙變小，波長 變長。
1-2 研究動機
近年來常在成長 InAs 的量子點過程中，蓋上一層 capping layer 使得發光波長得 以延展到 1.3 μm 附近[21] ，而研究中發現以 InGaAs 材料取代傳統的 GaAs 材料當 成 capping layer 的 InAs/InGaAs(DWELL)結構除了可將波長拉長又可以有效的降低應 力對量子結構的影響。成長較大尺寸的量子點也可增加發光波長[22]，但因為成長方 式的限制，容易發生銦的相分離 ( In segregation )，使得波長的紅移現象並不明顯。
對 InAs/InGaAs ( DWELL ) 奈米結構摻入氮，正是一個將發光波長發長且降低應力 影響的兩全其美方式。
而我們的 InAsN/InGaAs ( DWELL ) 奈米結構卻出現一個特別的現象，和同樣長 晶條件下的 InAs/InGaAs ( DWELL ) 結構相比，在 PL 量測中並未看到波長被拉長的 結果。藉由 TEM 的量測結果，可看到在 InAsN 量子點下方有一條明顯的 wetting layer，而 wetting layer 具有高含量的銦，並且我們可以看到 InAsN 量子點的尺寸降 低為 3nm，推測這是波長未被拉長的主因。
因為高濃度的氮 (17%) 摻雜，使得本來就會出現的氮在 InAsN 量子點中分布不 均勻現象更加明顯[23,24]，以至於 InAsN 量子點的發光效率降低；不同於量子點訊號，
在低能量區域也出現一個長尾巴的訊號，這是因為氮自身的群聚效應而產生一個侷
限載子的能階 ( localized states ) ，而此能階會延伸至 InAs 材料導帶 ( conduction band ) 上方[24] ，推測其會在 InAsN 量子能階下方形成一個特性相似的能階。而經由 傅立葉分析 ( Fast Fourier filtered image ) 會發現在量子點周圍也存在一些錯位差排 缺陷 ( misfit dislocation defect )，這是普遍存在於 GaAs/GaAs 和 InGaAs/GaAs 材料中 的 E2 (E2-like) [25,26]缺陷。
在電性的量測中，可以看到因為氮摻雜改變了本來完美的量子結構，使得在 InAsN 量子點中的電子放射時間比完美的 InAs 量子點[27] 來得長，因此除了使用 C-V 和 Admittance 量測外，還可以配合 DLTS 加以分析；快速熱退火過程 ( RTA ) ，可 重整樣品結構[23,24,28] ，在我們的研究中發現，這會讓 InAsN 量子結構恢復量子特 性。
1-3 論文架構
本論文主要是利用光性 ( PL ) 及電性 ( C-V、Admittance、DLTS 等 ) 的量測，
研 究 對 成 長 厚 度 2.2ML InAs/InGaAs 量 子 點 ， 摻 入 17% 的 氮 後 所 形 成 的 InAsN/InGaAs ( DWELL ) 結構，比較其能階及電子放射機制在經過熱退火後的改變。
樣品一共有三片，分別是 As-grown 熱退火 700℃ 2 分鐘 ( RTA 700 )和 800℃ 3 分鐘 ( RTA 800 )。
以下簡介本論文的章節安排：
第一章緒論部份，簡介量子點的成長及應用，並對研究的 DWELL 樣品做簡單 介紹，以及此研究的動機。
第二章樣品的製備與量測系統部分，包括了實驗樣品的成長結構及電性量測所 需之電極製作，另外針對本論文所用到的量測系統做簡介。
第三章針對 PL 量測來做分析，可以看出經由熱退火後三片明顯樣品的差別，隨 的熱退火溫度的提高，量子點訊號也隨之提升。
第四章分析電性的量測結果，包含 C-V profiles、admittance ( G-F ) 以及 DLTS，
來比較熱退火對樣品的影響及改善。
第五章模擬電性量測的結果，支持實驗的結果。
第六章統整光性及電性的實驗結果，了解熱退火過程在 InAsN/InGaAs ( DWELL ) 量子結構的影響。
圖 1-1 三五族合金半導體晶格常數及能隙關係圖