第一章 緒論
1-1 InAs/InGaAs/GaAs 量子點材料簡介
近十幾年來，量子點因其特殊的物理性質、應用價值而受到許多的注目。本 研究著重在探討當 InAs 量子點上方覆蓋一層 InGaAs 量子井，形成 Dot-in-well (DWELL)結構時，不同量子點厚度下造成的特殊光電容現象。以下先針對量子 點特性、磊晶成長方式及 Dot-in-well (DWELL)結構作簡介。
1-1-1 量子點簡介及其特性
(1). 量子點特性與應用：
材料三個維度的尺寸微縮到在數奈米之間時，其物理已非傳統巨觀的古典
物理能解釋，須考量到量子力學。當其特徵尺寸小於或相近於 de Broglie 波長(約 10 nm)或電子平均自由路徑，電子在移動時受到 X.Y.Z 三個維度的限制，將形 成量子點結構，並產生對應的能態密度（density of states）為function、能 階分立不連續的等特性[1,2]，如圖 1-1 所示。圖 1-1 表示不同局限維度下所對應 的能態密度，依序為塊材、量子井、量子線及量子點，很明顯可看出量子點能 態密度為不連續的脈衝型式，類似於原子中不連續的電子能階結構，因此量子 點又被稱為人造原子(artificial atom)。而量子點中的三度空間量子侷限效應
（quantum confinement effect）有助於電子與電洞產生復合，進而有效提升發光 效率。
隨著長晶技術的成熟，量子點已多元應用在電子與光電元件，例如量子點雷 射[3,4]、紅外光偵測器[5,6]、單電子電晶體[7]、光記憶體結構[8,9]、量子運算[10.11]
光二極體(LEDs)[12]。近幾年在太陽能電池[13]及生醫方面的生物螢光檢測上[14]
2
也有許多潛在應用。此外，有許多研究團隊致力於拉長量子點的放射波長，使量 子點發光波長達到光纖通訊所需的波長範圍(1.3~1.55 μm)，有助於使光在光纖中 的傳輸距離提升！
(2). 異質接面三種磊晶模式的成長機制：
早期量子點的形成主要是利用蝕刻(Etching)的方式，雖可形成高均勻度的量 子點，但在蝕刻過程中卻很容易在介面產生缺陷(如 dangling bond)，影響量子點 本身性質[15]。目前量子點的形成多利用應力誘發的原理，主要以有機金屬氣相 磊晶(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)與分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy, MBE)方式成長：
1. 有機金屬氣相磊晶(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)：主要 利用單向的化學反應，其成長速度較快且維護方便，適合大量生產，為目前 廣泛應用於成長薄膜的方式之一，但在成長高品質與高均勻的量子點方面仍 不如MBE。
2. 分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy, MBE)：在成長過程中利用反射高能電子 繞射(reflection high energy electron diffraction, RHEED)的現象，使其在磊晶過 程中隨時能監控磊晶層厚度與成份，控制精確度可達單原子層(Monolayer)的 程度，磊晶速率亦可精確到每秒低於一個分子層(ML/s)，對於量子點的成核 作用有重要影響；一般來說以 MBE 方式成長的量子點具有較佳的特性，可 形成較均勻和密集的量子點。
目前在成長異質接面結構有三種磊晶模式[15](如示意圖 1-2)，這些成長模 式的機制就是利用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)[16]：適用磊晶材料的表面能 (interfacial energy)小於或等於基板的表面能(or 磊晶材料與基板的晶格常數匹 配)，為層狀堆疊結構。
3
2. 島嶼式(V-W mode, Volmer-Weber mode)[17]：磊晶材料的表面能大於基板的表 面能時(磊晶材料與基板晶格常數差異極大)，一開始就形成三維島狀結構。
3. 層接而後島嶼式(S-K mode, Stranski-Krastanow mode)[18]：磊晶材料與基板的 晶格常數雖然不同，但相較於島嶼式(V-W mode)而言有較小的表面能。S-K mode 成長幾個單層後，會先形成一層二維結構的沾濕層(wetting layer)；隨著 沾濕層厚度增加，材料間的晶格常數(lattice constant)不匹配而使應力持續上 升堆積，當應力累積至一臨界厚度(critical thickness)時，會藉由自我聚集 (self-assembly)形成零維島狀結構來達到應力釋放的效果，這種由二維轉三維 自我聚集形成的量子點又稱為自聚式量子點（self-assembled QDs），是目前 主要成長量子點的方式。這種成長方式有效提供高密度、高均勻度與少缺陷 的量子點；值得一提的是，若持續增加量子點厚度，將發生應力鬆弛(strain relax)的現象以釋放彈性能(量子點崩解成大大小小顆)。對砷化銦/砷化鎵而言，
在砷化鎵上方成長砷化銦，二者間的晶格不匹配約達 7.2%，晶格常數較大的 砷化銦會以壓縮晶格的方式匹配底部晶格常數較小的砷化鎵，當磊晶厚度達 臨界厚度 1.7 個單原子層 (monolayer, ML)，會由二維磊晶模式轉為三維磊晶 模式，自聚式量子點開始形成，如圖 1-3 所示；但若持續增加砷化銦量子點 厚度超過 3 ML 時，將產生應力鬆弛造成缺陷。
1-1-2 Dot-in-well (DWELL)簡介
許多研究中指出，在量子點結構上覆蓋一層與量子點晶格常數較接近的磊晶
層材料作為應力緩衝層，形成類似將量子點埋入量子井中的 Dot-in-well 結構，
可以大幅降低晶格常數不匹配的問題，減少量子點所承受的壓縮應力，有效提升 量子點的密度與尺寸均勻性，使得在光激螢光譜(photoluminescence, PL)量測中可 得到較大的發光強度與較小的半高寬(Full width half maximum, FWHM)。但除了 上述的優點，Dot-in-well 結構因量子井的存在，會造成量子點侷限位能障降低，
4
使量子點的侷限能力變差。以砷化銦(InAs)量子點為例，在 InAs QDs 和 GaAs 之 間加入 InGaAs 層[19-21]，藉由調變砷化銦鎵層的厚度與銦含量的比例能成功的 將波長延伸至1.3μm 以上，大幅增加量子點的密度並提升發光效率。解決直接蓋 上 GaAs 覆蓋層(capping layer)時 InAs 量子點因應力過高而產生差排缺陷的問 題。
1-2 研究動機
實驗室近年來對於不同樣品結構，如不同量子點厚度、不同摻氮濃度的量子 井等做了許多探討，但對於照射近紅外光源下的光電容特性，尚未建立一套合理 的機制，因此本研究著重於探討光電容劇烈抬升的主要來源，及量子點在光電容 量測上的響應部分，並嘗試探討其中載子躍遷的機制。
1-3 論文架構
本研究利用光性(PL)、電性(C-V、DLTS 等)量測和光性結合電性量測(Photo
Capacitance)來了解量子點樣品光電容產生的來源、以及載子躍遷的機制，並搭 配模擬分析來佐證我們所作的推測。
以下為本論文的章節安排：
第一章：說明三種量子點的長晶模式和 DWELL 結構優勢並針對量子點特性 與其應用作簡介，說明研究動機與論文架構。
第二章：介紹實驗所用的量測系統設備及樣品製備。
量測系統包括了光性量測：變溫光激螢光(Photoluminescence,PL) 與電性量測：電容-電壓(C-V)、深層能階暫態頻譜(Deep-level
transient spectroscopy,DLTS)、α-step 膜厚量測儀。
樣品製備包跨了長晶條件與電性量測方面所需的正負電極製備 。
5
第三章：基本電性量測，主要介紹三片樣品的基本性質如光學特性的 PL、
TEM 結構形貌上的介紹和 CV、DLTS 的電性量測初步分析，主 要在探討尚未照光情形下的電性量測。
第四章：光激發下之電容量測，包含了光電容原理簡介，以及膜厚量測和量 子點樣品的光電容模型與數學模擬，探討量子點本身產生光電容的 可能性。
第五章：承接第四章，透過實驗和模擬佐證，加入缺陷產生光電容的因素 ，並建立一套模型來解釋砷化鎵樣品看到的光電容現象。
第六章：結論。
6
圖 1-1 不同侷限維度之結構所對應的能態密度
圖 1-2 三種長晶模式，由左至右分別: F-vdM 、V-W 及 S-K mode
圖 1-3 以 S-K mode 方式成長 InAs 量子點
Energy
Density of states
3-D bulk 2-D well 1-D wire 0-D dot
Energy
Density of states
Energy
Density of states
3-D bulk 2-D well 1-D wire 0-D dot
7
第二章 量測系統簡介與樣品製備
2-1 量測系統簡介
2-1-1 光激發螢光量測系統(Photoluminescence, PL)
本論文使用的 PL (Photoluminescence)量測設備由電物所楊賜麟老師實驗室 提供，其原理為對實驗樣品激發一大於或等於其能隙的光源，使價電帶(valence band, VB)中的電子吸收雷射光的激發能量後激發至導電帶(conduction band, CB) 上，而在價電帶上則產生了電洞，形成電子電洞對(electron–hole pair, E-H pair)，
電子電洞彼此受到庫倫力所吸引，一般稱為激子(exciton)，激子在經過一段生命 週期後電子落回價電帶與電洞復合，過程中可能是放出光子的輻射復合(radiative recombination)，或熱輻射、聲子等非輻射復合（non-radiative recombination）。 PL 量測系統所包含的儀器設備：
(1). 固態雷射(solid-state laser)：為 Excel 公司生產，型號為 LOC-VENTUS 1000 SERIES，為 CW 雷射，波長 532 nm，最大輸出功率 1.3 mW，雷射穩定度 在 1.9%以內，RMS 平均雜訊為 0.7%，驅動電流 6 安培，主要利用此雷射 來激發樣品發出螢光而偵測。
(2). 衰減濾光片組(Variable Neutral Density Filter)：利用衰減片來控制、調整實驗 所需的雷射輸入功率。
(3). 光遮斷器(Optical chopper)：目的在於使連續波的雷射形成方波的型式，所使 用的型號為 NEW FOCUS 3501，7/5 孔型式，固定頻率在 500 Hz。
(4). 聚焦透鏡(Focus Lens)：利用聚光透鏡將雷射光聚焦在樣品上。
(5). 溫控裝置：主要為了量測低溫與變溫的光學特性而設置，包含真空腔體 (chamber)、降溫用壓縮機(compressor)、機械幫浦(mechanical pump)、冷卻 水系統以及溫控器(temperature controller)。系統的最低溫度約在 10 K，可利
8
用循環氦的壓縮機與溫控器的加熱器相互配合以控制實驗所需的溫度進行 量測。
(6). 高通濾光片(Long-pass filter)：雷射光強度遠大於樣品所放射出的螢光，使用 695 nm 的濾光片將雷射光過濾掉，避免其進入光偵測器中干擾實驗結果。
(7). 分光儀(monochromator)：型號為 ARC Spectro-275，聚焦長度為 27.5 cm，內 部含有有三塊光柵，為 600 goove/mm(BLZ=1000 nm)，可根據實驗所需的 波段範圍來選擇。
(8). 光偵測器(photodetector)：使用 Electro-Optical Systems 公司所生產的 InGaAs 光偵測器，在 300 K 時所適用的波長為 800 nm 到 1800 nm。
(9). 訊號放大器(multi-meter)：將光偵測器所接收到的訊號放大。
(10). 鎖相放大器(Lock-in Amplifier)：儀器型號為 STANDFORD RESEARCH SYSTEM SR850，目的在量測微小的交流訊號。
PL量測系統以如圖2-1所示進行架設，將波長532 nm固態雷射所發出的雷射 光，用不同倍率衰減片以降低輸出功率。將雷射光經由光遮斷器調變為方波形式，
並將光遮斷器的頻率送至鎖相放大器作為參考頻率。經過光遮斷器調變的雷射會 先光經過第一面透鏡後聚焦在樣品上，樣品受激發後進而放出螢光，螢光會經由 第二片透鏡將聚焦並通過一片695 nm的高通濾光片，將雷射光濾掉(為避免雷射 光訊號產生倍頻干擾)後進入分光儀的狹縫中進行分光，最後光偵測器會將偵測 到的螢光訊號傳送至鎖相放大器將與光遮斷器相同頻率與相位的訊號加以放大，
再傳回電腦存檔並讀出光激螢光光譜。
2-1-2 電流電壓量測(I-V)
實驗室所使用的電流電壓(I-V)量測系統為 KEITHLEY 236。我們會利用 I-V 量測來檢驗樣品經過蒸鍍或其它電極備製後特性的好壞，以確保樣品適合後續其 他電性發面的量測，再者我們也會利用 I-V 量測來探討照光下光電流的訊號。其