1-1 InAs/GaAs 量子點材料簡介
量子點特殊的性質成為很多光電半導體材料研究的重心，而本研究就是著重在 InAs/GaAs 量子點特性的探討，以下先針對量子點及延伸的 Dot-in-well 結構做簡介。
1-1-1 量子點簡介及其特性
(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：似δ function 的能態密度&能階分立不 連續的特性[1,2]，圖 1-1 即自由度分別為三維、二維、一維及零維的塊材、量子井、
量子線及量子點之能態密度，很明顯看出量子點能態密度的不連續特性[3]。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, 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 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](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)[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]。
1-2 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 這層緩衝層的存在，導致應力鬆弛所產生的差 排缺陷，只在InAs 內部及下方產生，而在上方並無發現缺陷。所以隨著逆偏及空乏 區的加大，下方缺陷造成的載子空乏區，會影響載子由量子點穿遂出去的效應，使 得原本因為穿遂時間太快而量測不到的量子訊號得以被觀察到。一般正常的量子點 在室溫 300K 時，穿遂時間約在 ps 等級，受限於儀器而無法測量；但此應力鬆弛樣 品在室溫下，受到缺陷空乏的影響，已經不再以穿遂主導，反而以直接跳到 GaAs 導帶為主要逃脫方式，而低溫下亦可量到大於µs 的穿遂時間，整個載子躍遷的機制 已經改變了，所以可藉著調變空乏區域，控制穿遂時間，做為記憶元件的儲存、讀 寫以及抹除等應用[21,22]。因為應力鬆弛所形成的特性，使我們能突破以前所無法 量測的瓶頸，而更進一步去分析與探討，發現更多有趣的現象，這是最主要的研究 動機。
另一方面，半導體奈米結構在各個層面上被廣泛的應用，但其實奈米結構下成 長的半導體材料其特性與一般的塊材結構迥然不同，由於結構尺度相近於電子物質 波波長，無法再適用於古典力學的解釋方法，須以量子力學取代之。這種特殊的結 構 就 牽 涉 到 內 部 的 量 子 能 階 ， 而 除 了 理 論 上 的 研 究 外[23,24] ， 鮮 少 有 人 針 對 InAs/GaAs 異質接面能階做實驗上的探討[25,26]，而我們的樣品特性剛好能量測到載 子跳躍的訊號，可藉此觀測到量子點能階的深度，進而估算出量子點中能階的位置。
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、transient 等)的量測，研
究InAs/InGaAs 這種 DWELL 結構的量子點，成長厚度 3.3ML，超過臨界厚度而應力 鬆弛後，產生缺陷對量子躍遷的影響，並對未鬆弛的 2.7ML 樣品做比較，另外更進
一步以熱退火650℃和 700℃來驗證量子躍遷的現象。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。
第三章首先針對缺陷的研究及 PL 量測來做分析，著重在應力鬆弛後產生的缺 陷，對量子躍遷的影響程度，以及光性上的演變和波長的變化，來說明量子躍遷仍 可被觀察到。
第四章接著以其他電性的量測結果，及針對數據延伸出的分析，來說明及證實 我們所推論的量子躍遷訊號，由高溫到低溫的變化，另外熱退火的效應也在本章中 提供更多的佐證。
第五章對這篇論文的研究結果做一個簡單的總整理，並對後續的研究提供可研 究的方向。
圖1-1 不同維度侷限顯示不同能態密度對能量的關係
圖1-2 三種長晶模式，由左至右分別: F-vdM 、V-W 及 S-K mode