緒論

1-1 前言

由於近年來奈米科技的發展，大家一窩鋒爭相投入研究，從光電半導 體材料,化學觸媒，一直到生物醫學等多方領域，而其中我們又對光電半 導體材料的量子井,量子點最為感興趣，量子點為一奈米晶體，隨機分布 於成長的樣品[1]，直徑僅有數個~數十奈米，因為晶粒體積非常小，故量 子點內具有三維的能量屏障，由於量子點是在空間中三維的小尺寸結構，

當一個材料的大小縮小到跟電子的物質波波長接近時，電子會被侷限住並 具有波動的性質而且電子的能階會分裂成不連續的能階，具有δ 函數的能 態密度[2-3]，類似原子的能階，有量子侷限效應，所以電子與電洞會被 侷限在此一微小晶粒內，其結合機率變大，發光效率變高，因此量子點的 光、電、磁性質不同於一般我們所熟知的巨觀性質。更令我們感到興奮的 是量子點的能態密度隨著其尺寸大小而變，也就是說光、電、磁性質可以 單純的由尺寸變化來改變。例如，對半導體量子點而言，尺寸變小後，能 帶邊緣的能態密度變小，產生分裂，故其能隙將會變大，發光波長變短，

換句話說，只要能控制尺寸，即能控制發光波長。以上所說的量子點特性，

即一般我們常聽到的量子點侷限效應 (quantum confinement effect）或 量子點尺寸效應(quantum size effect)。又因為光纖通訊的發展,因此光 通訊用的雷射扮演著一個非常重要的角色，一般利用 InAs/GaAs 材料所製 造的量子點雷射，波長都只能成長到 1.25μ m，但經過適當的摻雜，波長 就可以增至 1.3μ m[4]，適合做為光纖通訊之用，1.3 µm 常被用來作為長 距離的光通訊波段，主要是因為光纖在此波段具有最低的色散衰減率，很 低的能量損秏之故，就理論上而言，以量子點結構做成的雷射會有比較高

常具有潛力。而半導體雷射可以擁有在高頻下操作、成本低廉等優勢。

1-2 InAs/GaAs 量子點成長方法與用途簡介

InAs/GaAs 量子點是一種半導體的奈米結構(nanostructure)，可將電 子侷限在一個很小的尺度內,目前量子點的製造方法主要有以下四種：(1) 化學溶膠法(chemical colloidal method)，(2) 自組成法(self-assembly method)[5]，(3) 微影蝕刻法(lithography and etching)，(4) 分閘法 (split-gate approach)。本論文所探討的樣品是採用自組成法來製作量 子點結構，採分子束磊晶(molecular-beam epitaxy)來成長異質薄膜，並 利用晶格不匹配(lattice mismatch)的原理，使量子點在特定基材表面自 聚生長

要成長高度完美的晶格結構，材料的選擇有兩個原則：

1.磊晶層表面能小於基板表面能(surface free energy) 2.晶格不匹配的應力(lattice mismatch stress)引發的應變能

(strain energy)必須在材料彈性允許範圍內。

對於第二點，是成長材料的基本原則。對於第一點，當磊晶層表面能 小於基板時，在基板能夠提供足夠表面供給磊晶材料釋放表面能，磊晶成 長會是一層層(layer by layer)堆疊上去，稱為[Frank-van der Merwe (F-M) mode]2D 成長模式[6]。反之，當磊晶層表面能大於基板時，在基板無法提 供足夠表面供給磊晶材料釋放表面能，磊晶材料必須尋求與外界有更大的 接觸表面以釋放表面能，磊晶成長會是島嶼式[Volmer-Weber (V-W) mode]3D 成長模式[7]。另外還有在上述兩種成長模式之間轉換的層接而後 島嶼式[Stranski-Krastanow(S-K) mode][8]，利用晶格常數的不匹配 (lattice mismatch)產生彈性應變能，初期磊晶層的表面能較基板的表面 能小，並有晶格不匹配存在時，起始成長模式為層接式，後轉島嶼式，成

長模式轉變原因有兩個觀點：(1)由應力觀點，當磊晶厚度達到一定的程 度時，彈性應變能增加，導致晶格會藉由晶格鬆弛來降低應變能，使系統 的總能量下降，因此使得成長模式轉為島嶼式成長。(2)由表面能觀點，

當磊晶厚度達到一定的程度時，磊晶材料被壓縮使其比基板的相對表面能 持續增加，當相對表面能超過基板即轉為島嶼式成長。

InAs/GaAs self-assembled 量子點即是利用 S-K mode 成長模式，InAs 的晶格常數大於 GaAs 的晶格常數，在長晶表面的方向上會產生壓縮 (compressive)應變，約到 1.7 ML 即轉為三維島嶼式的長晶模式，當長晶 厚度在一定的臨界值以內時，這樣的晶格鬆弛並不會產生缺陷，為晶格完 美的量子點，但是當厚度繼續增加時就會有差排、堆疊錯誤(stacking fault)等缺陷產生。

量子點為一個三維小體積的奈米結構, 在數學上具有δ函數的能態密度, 以此當工作區的半導體雷射具有超低的起始電流密度、高特徵溫度

(characteristic temperature,T⁰)、高材料增益(gain)、較窄的譜線寬 度、操作條件對溫度不敏感...等優點，用途也很廣泛，可用於藍光雷射、

光感測元件、單電子電晶體(single electron transistor, SET)、記憶 儲存、觸媒以及量子計算(quantum computing)等，在工業的應用上，目 前著重在量子點雷射的開發、光學記憶體及紅外線探測器,其可以於軍事 用途的夜視鏡,而在基礎科學的研究上，量子點提供了一個『零』維度 (zero-dimensional)的電子系統，有助於科學界了解低維度電子系統的一 些特性。

1-3 Dots in well 結構介紹

之後在長第二層量子井覆蓋在量子點上，變成量子點夾在兩層量子井中間 的夾心構造，但是本論文所成長的 DWELL 結構則是只有成長一邊的量子 井，也就是在 substrate 上就直接成長量子點，之後再覆蓋量子井，其能 帶圖有如階梯式的形狀，如圖 1-1。而成長 DWELL 結構最主要的目的是為 了當應力緩和層以減少晶格不匹配程度、拉長波長[9-19]、降低臨界電流 密度及增加量子侷限的載子[20-21]。

1-4 氮(N)對樣品的影響

在材料系統中加入氮常遇到的一個問題就是容易產生相分離(phase separation)，因為氮相對於其他原子特別輕，所以氮在材料中的溶解度 並不高。從許多文獻中[22-24]得知加入氮後，氮的含量、長晶溫度、長 晶速率，在光性上的表現都會有顯著的差異。

1-5 研究動機

一般而言，離子佈植在半導體技術上的實際用主要是在改變基板的電 特性，由於氮相對地是比較輕的元素，因此在相同的佈植能量下，氮離子 比其他較重的離子有較深的佈植深度，而且對於表面的的損壞也較小，因 此由於離子佈植所造成的損壞也可以經由熱退火處理還原。

由文獻得知不同的氮含量對 InAs/GaAs 量子點光性的影響，氮直接摻 入量子點，會使樣品產生大量的缺陷使得品質變差[25]。在經由熱退火 (annealing)可以將氮所產生缺陷消除[26]。因此，我們把一具良好 InAs 量子點的樣品做離子佈植，看看經由不同劑量佈植後再熱退火的樣品是否 會和磊晶摻入氮的樣品具相同的現象，進而探究氮所引發的缺陷及其原 因。

1-6 論文架構

論文的章節安排如下:

第一章 : 緒論

第二章 : 樣品製備與量測系統 第三章 : 量測結果與分析 第四章 : 結論