第一章 緒論
1-1. InAs/InGaAs/InAs 量子點材料簡介
近年來量子點特性研究在半導體領域有許多著作，期文獻大多著重於此 Dot-in-well(Dwell)結構下所造成的特殊現象；而本研究主要是針對其所造成 的特殊光電容現象作為研究題材。
1-1-1 量子點簡介及其特性 (1) 量子點特形與應用
在量子世界中，我們若將材料尺度限制於數個到數十個奈米之間，使其ＸＹ Ｚ三個維度與 de Broglie 電子波長或平均自由徑近似或小於，此時由於尺度上被 量化，因而有了似δ函數的能態密度與能接分立不連續的特性[1,2]，而我們稱這 種結構為量子點。如圖 1-1 所示為四種不同維度侷限下所形成的能態密度，依序 為塊材、量子線、量子井、量子點，由圖可以看出能態密度為不連續的脈衝形式，
類似於原子中不連續電子能階結構，因此量子點又被稱為人造原子(artificial atom)。
現在，由於量子點技術已達成熟，在物理與電子元件上已有許多的應用，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]等。並且在生物醫學上也有實質上的應用，如 生物感測器[13]。
(2) 異質接面三種磊晶模時的成長機制：
有鑑於以往利用蝕刻(Etching)來形成量子點的方法在過程中容易產生缺陷 (trap)，影響品質，因而目前主要利用應力誘發的方式來成長量子點，主要方式 有分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy, MBE )、有機金屬氣相沉積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)：
1. 分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy, MBE )：用來成長均勻和密集的量子點，
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此方式其表面能對於量子點的成核作用有重要影響；其優點在於在掌控成分 與厚度上好掌握，磊晶速率可精確到每秒低於一分分子層(ML/s)，並且均勻 度與品質都很高。而在長晶過程中利用高能電子繞射(reflection high energy electron diffraction, RHEED)作為監控，可以隨時掌握當下成長狀況。
2.有機金屬氣相沉積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)：為一 種單向的化學反應，成長過程中速度快且維護上方便，適合用來做大量成長，
但是在高品質量子點成長方面其與 MBE 相比是較弱的。
下面簡單介紹異質接面的三種磊晶模式[14]，這些成長模式的機制即系統的 演變總會傾向最底能量：
1. 層接式(F-vdM mode, Frank-van der Merwe mode)[15]：適用於磊晶材料的表面 能小於或等於基板的表面能，為層狀堆疊結構
2. 島嶼式(V-W mode, Volmer-Weber mode)[16]：適用於磊晶材料表面能大於基板 扁面能實，一開始就形成三維島嶼狀結構。
3. 層接而後島嶼(S-K mode, Stranski-Krastanow mode)[17]：相較於島嶼式(V-W mode)而言有較小的介面能(interfacial energy)；以 S-K mode 成長的過程中，
會先長成幾個單層，接下來會形成二維結構的沾濕層(wetting layer)，但是隨 著沾濕層的厚度增加，由於晶格不匹配而應力持續上升，為釋放此應力，其 會自我聚集成零維島嶼狀量子點，因此這種由二維轉三維的量子點型態又稱 自聚式量子點（self-assembled QDs），是目前主要用來成長的方式。這種成 長方式有效的提供高密度、高均勻度及無缺陷的量子點。但是值得一提的，
當我們成長厚度達一定程度造成應力過大，將發生應力鬆弛(strain relax)現象 以釋放彈性能，此結果會造成缺陷的產生。以砷化銦/砷化鎵為例，晶格常數 較小的砷化銦為與晶格常數較大的砷化鎵匹配，將壓縮晶格，當長晶程度達 1.7 個單元子層(monolayer, ML)，此時磊晶型式由二維轉三維，若程度達 3 個 原子層此時將發生應力鬆弛而造成缺陷。
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1-1-2 Dot-in-well (DWELL)簡介
Dot-in-well 結構是在量子點結構上蓋上一層晶格常數與量點點較接近的 材料做為應力緩衝層，用來降低量子點與基板的應力及晶格不匹配，有效提升 量子點密度與尺寸均勻性；而此結構使得量子點埋在量子井中，造成量子點侷 限能力下降，以砷化銦(InAs)量子點為例子，當在砷化鎵(GaAs)與量子點間長 上一層砷化鎵銦(InGaAs)量子井[18-20]，可成功的使波長範圍延伸至 1.33µm 以 上，進而增加了量點發光效率。
1-2 研究動機
近年來實驗室中針對 InAs/InGaAs 不同厚度下的樣品做了許多的探討，然 而針對特定能量光源照光後，樣品對光電容特性的反應，我們所知道的還不夠詳 確，因而我們想針對 InAs/InGaAs 量子點厚度 2.34 ML 這塊樣品，利用不同激發 能量光源下的光電容反應來做為研究的主題，並探討其缺陷所扮演的角色；並且 在之前研究中曾針對量子點厚度 3 ML 以上的應力鬆弛樣品，在長晶過程中有銦 鎵交換的現象做了詳確的研究，因此我們將 2.34 ML 與 3.3 ML 厚度不同的樣品 來做比較，探討銦鎵交換現象的存在與否，是否會在光電容反應上有影響來做為 研究的方向。
1-3 論文架構
本論文主要利用 InAn/InGaA 量子點 2.34 ML 樣品來做研究，探討樣品在不 不同掃動速度與不同激發光源下，缺陷對其 C-V 電容值與光電容值所造成的反 應，並且利用 3.3 ML 應力鬆弛樣品在相同實驗下的結果，與 2.34 ML 樣品比較，
進而探討應力鬆弛後對其光電容值的影響。
以下為本論文的章節安排：
第一章：對量子點簡介並介紹三種量子點的長晶模式和 DWELL 結構優勢，
最後說明研究動機與論文架構。
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第二章：說明實驗室中使用的量測系統，包括了光性量測：光激發螢光光譜 (PL)與電性量測：電容-電壓(C-V)、導納頻譜(C-F)、深層能階暫態頻譜
( DLTS )。
第三章：介紹研究樣品結構，並說明其長晶條件，最後介紹電性量測時所需 之蕭基接面與歐姆接面電極製備 。
第四章：針對樣品在 TEM 上、PL、DLTS、CV 量測中所得到的結果，對樣品做 一基本特性的介紹。
第五章：由於在 DLTS 中量到的異常捕捉截面積與活化能值，進而使我們改變不 同掃動速率去做 CV 量測，以探討是否存在缺陷是 DLTS 掃動速率下難 以偵測到的。
第六章：由於光照光後會加快缺陷中載子出來的速率，因而讓我們想去研究變激 發光源下缺陷對光電容值的影響，並且與 3.3 ML 應力鬆弛樣品做比 較，進而了解應力鬆弛結果對光電容值大小的影響。
第七章：對於光電容中疑似深層能階缺陷存在的訊號，我們利用不同激發光源下 的 PL 量測來證實它的存在，並且做了不同激發光源加電 PL 實驗，以 更加確立其正確性。
第八章：選定兩個特定的激發光源，做 C-V 量測實驗，由縱深圖上訊號現象，
探討不同光源下，其所激發的能態。
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圖 1-1 不同侷限維度之結構所對應的能態密度
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
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