1-1 InAs/InGaAs 量子點材料簡介
本研究是著重在 InAs/InGaAs 量子點應力鬆弛機制的探討，以下先針對量子點及 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：
將材料的三維尺度都限制在數個~數十奈米間，而使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：似δ function的能態密度&能階分立不連續的特性[1,2]，這種奈 米結構稱為量子點。這種零維體系的物理行為﹝如光、電性質﹞與原子相似，電子 在其中的能量狀態呈現類似原子的分立能級結構，因此量子點又被稱作「人造原子」。
由於量子點長晶技術的成熟，已經可以在電子或光電元件被應用，如量子點雷 射[3]、紅外光偵測器[4]等。近幾年量子點在生醫領域也有許多潛在應用，尤其是在 生物感測上[5]。此外，量子點一個極重要的應用是可拉長以 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)。
(2). 異質接面三種磊晶模式的成長機制：
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, MOCVD)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
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[6](如示意圖1-2)，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)[7]：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)[8]：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)[9]：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 是指將量子點埋在量子井中，也就是量子點上方多覆蓋一層應力緩
衝層，可以降低量子點與基板的應力及晶格不匹配。一般來說，成長在GaAs 上的 InAs 量子點發光波長可以達到1.3 μm 和 1.55 μm 的範圍。但在將量子點製作成應用元件 時，需要蓋上一層GaAs 作為覆蓋層(capping layer)。在一些實驗結果[10]中發現，蓋 上GaAs 的 InAs 量子點大小及密度會降低，而使發光波長產生藍移且發光效率降低。
而在InAs 和 GaAs 之間加入 InGaAs 層[11,12]，可以成功將波長延伸至 1.3μm 以上。
1-2 研究動機
研究 DWELL 這個結構，最原始的目的是為了減緩晶格間的不匹配、拉長量子
點波長、以及成長更均勻更高密度的量子點。但我們發現此結構，在量子點成長厚 度超過其臨界值後，因為上方InGaAs 應力緩衝層的存在，會導致應力鬆弛機制的改
變。由於覆蓋了InGaAs 的緣故，造成應力鬆弛後缺陷僅分布量子點內部及底層，量 子點上方沒有缺陷產生。這會使得當逆偏加大，量子點後方空乏層的寬度增加，而 影響到載子躍遷出去的速率。
除此之外，蓋了 InGaAS 緩衝層的應力鬆弛還會引發樣品中產生兩群量子點的分 布。在我們的樣品中存在兩群不同發光波長的量子點，並且會對量子點的光性及電 性造成影響。因此，我們希望探討在 DWELL 結構中，量子點的應力鬆弛的特性與 機制。
1-3 論文架構
本論文主要是利用光性(PL)及電性(C-V、C-F、DLTS 等)的量測，研究 InAs/InGaAs 這種DWELL 結構的量子點，成長厚度為 3.06 ML 及 3.3 ML，超過臨界厚度而應力 鬆弛後，應力鬆弛發生產生的效應以及對於量子躍遷的影響。最後，我們試著將光 性及電性結合，作了光激發的電性量測，進一步確認我們樣品的特性。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。
第三章首先對 3.06 ML 及 3.3ML 光性及電性的量測結果比較，發現在 DWELL 量子點應力鬆弛後，量子點及量子點下方背景濃度會因缺陷產生明顯下降，而對載 子躍遷速度產生影響，並用CV 模擬的方式證實。
第四章接著以 PL 及 TEM 的比較，對於應力鬆弛量子點造成兩群量子點的現象 作討論。並且利用3.06 ML 樣品的變溫 PL，確定在兩群量子點之間存在著載子轉移 的現象，並且這個現象在3.3 ML 樣品的電性量測中產生影響。
第五章是我們嘗試著將光電性量測結合，對 3.06 ML 及 3.3ML 兩個樣品作光激 發的電性量測，並對我們所看到的現象作出說明。
第六章對本論文作出總結。
圖1-1 三種長晶模式，由左至右分別: F-vdM 、V-W 及 S-K mode