1-1 前言
由於半導體元件尺寸越做越小，隨著微影技術和製程的改進，元 件尺寸已經可以做到奈米等級，奈米化半導體的能隙會隨粒徑變小而 增大，激發與發光波長亦隨之變小，這種現象稱為量子侷限效應 (quantum confinement effect)。在奈米尺寸中，電子的波動特性會 展現出來，此時古典力學不適合描述電子運動，而須考慮量子力學。
圖 1-1 各種維度的材料之比較
奈米半導體材料可依其幾何形態，分成零維、一維、二維及三維 材料。在量子力學上，則分別定義這些不同維次的材料為量子點 (quantum dots)、量子線(quantum wires)、量子井(quantum wells) 及塊材(bulk)材料，如圖 1-1。不同維次的材料，在能階密度分布上
有很大的差異。由三維塊材變成零維量子點時，內部的電子在各方向 上運動都受到侷限，連續式的能階密度分布則變成完全離散。這些能 階密度的變化給予科學家們更大的空間去設計不同元件。
1-2 文獻回顧
對於半導體自旋的研究，Elliott 與 Yafet 分別在 1954 和 1963 年提出半導體自旋鬆弛的重要機制[1.1][1.2]，並指出自旋電子可以 經由電子-聲子散射，引發自旋翻轉(Spin-flip)，而導致自旋的鬆弛。
隨 後 在 1971 年 ， D'yakonov 和 Perel' 發 現 擁 有 反 稱 不 對 稱 (inversion asymmetry)的材料，電子自旋向上與自旋向下會產生自 旋軌道耦合，而導致自旋鬆弛[1.3]，1975 年 Bir-Aronov-Pikus 則 提出電子和電洞間的交換作用( exchange interaction )，也會導致 自旋的鬆弛[1.4]，這三個機制開啟了一系列對半導體自旋鬆弛的研 究。
1978 年，Titkov 等人利用 Hanle 測量實驗證實在砷化鎵塊材 (GaAs bulk)中，由於重電洞和輕電洞價帶的強烈混合，造成電洞自 旋鬆弛遠比電子來的快速[1.5][1.6]。
而在量子井早期的實驗研究，也有人認為量子井中電洞的自旋鬆 弛很快[1.7]，因此，更意外地發現在低溫下，n 型 GaAs/ AlGaAs 量 子井在圓偏振光的光激發下，極化率可以接近〜100％[1.7] [1.8]
[1.9]，暗示極化率應該是受光激發的電洞及較長的電洞鬆弛時間所 控制。此外，Rhoussignol 和 Damen 等人利用時間解析光譜分別測量 到 GaAs/ AlGaAs 量子井中重電洞的自旋鬆弛時間：4K 約 1 ns 及 10K 約 4 ps [1.10] [1.11]。
在 1990 年，Uenoyama, Sham, Ferreira 和 Bastard 進一步指出 量子井中的重電洞鬆弛是受到動量的影響，而量子井重電洞和輕電洞 的位能分裂使其在 Brillouin zone 中心去耦合(decouple)，導致在 zone 中心的自旋鬆弛時間會極長，但會受到類似傳導電子過程的限 制，由於重電洞與輕電洞能帶的混合，在有限的動量下自旋鬆弛時間 將下降非常迅速。如圖 1-2 所示，在低溫下，電動的熱分布將非常靠 近 zone 中心，因此，電洞擁有較長的自旋鬆弛時間，但隨著溫度的 增加，電洞的自旋鬆弛時間會因為熱激發得到動量而下降。
圖 1-2 電動鬆弛時間受激發密度與溫度的影響
近幾年，由於(110)量子井在室溫下擁有較長的自旋鬆弛時間，
許多人開始使用(110)量子井做量測，並在室溫下觀察到 ns 等級的自 旋鬆弛時間[1.12] [1.13]
1-3 研究動機
自旋動力學為一個由多學科交叉而形成的新興領域，以自旋自由 度為研究對象並發展新型自旋電子元件為目標，在近十年間取得令人 矚目的進展。在實現自旋電子元件中有兩個非常重要的問題：如何延 長自旋鬆弛時間以及如何有效地控制自旋。
不同維次的材料，在能階密度分布上有很大的差異，由三維塊材 變成二維量子井時，內部的電子單一方向上運動受到侷限。我們將三 維空間自由運動的粒子束縛在一個平面區域，形成量子井(quantum well)，由於 GaAs 和 AlxGa1-xAs 存在的晶格不匹配在界面間形成一個 應力，界面受到平行於平面的剪切應力和垂直於平面的垂直應力影響，
晶格對稱性遭到破壞，價帶能接產生了位移和分裂出重電洞(heavy hole)和輕電洞(light hole)兩個不同的能階。因此相較於砷化鎵塊 材(GaAs bulk)，GaAs / AlxGa1-xAs 量子井的初始極化率理論上可以 達到 100%
因此，希望利用本質、n 型和 p 型砷化鎵量子井及塊材，由自旋 鬆弛時間解析光譜來探討二維量子井與三維塊材的自旋特性差異，並 進一步探討量子井中光激發電洞對極化率造成的影響。
1-4 參考文獻
[1.1] R. J. Elliott, Phys. Rev. 96, 266 (1954).
[1.2] Y. Yafet, Solid State Phys. 14, 1 (1963).
[1.3] M. D'yakonov and V. Perel', Sov. Phys. JETP Lett. 13, 144 (1971).
[1.4] G. L.Bir, A.G. Aronov and G. E. Pikus, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 69, 1382(1975).
[1.5] F. Meier, B.P. Zakharchenya (Eds.), Optical Orientation, 1984.
[1.6] A.N. Titkov, V.I. Safarov, G. Lampel, in Proc. ICPS 14, Edinburgh p.
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Kerr, J. Lumin. 45,208 (1990)
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Vinattieri, J. Martinez-Pastor,L. Carraresi, M. Colocci, J.F. Palmier, B.
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