蝕刻基板之微米捲管發光特性

根據前面 4.3.2 小節的實驗結果，只要能使捲管距離 GaAs 基板有適當的距離，即可 解決漏光問題，得到較精準的量測結果。然而利用溶劑來轉移捲管的方法有幾個缺點：

容易會有很多蝕刻完所產生的薄膜碎屑等雜質也同時被轉移到異質基板上，且無法準確 的控制轉移的捲管數量及位置，雖然可以用探針推捲管到適當位置，但是也增加了困難 度以及損傷捲管的機會。因此，我們改良製程步驟，在製作捲管時多加上一道蝕刻基板 的步驟，使得捲管捲完後會恰好停在溝槽上，而不會在量測時漏光至基板，詳細的製程 步驟如 3.1 小節所述。

在本實驗中我們測試了不同的基板蝕刻深度對於微光激發螢光量測結果的影響，由 於在 4.3.2 小節中，在捲管轉移的 GaAs 基板上已蝕刻溝槽的深度約為 1μm 左右，因此 我們推測捲管距離基板1μm 的距離，即可有效的減低漏光情形。所以在本小節中測試 蝕刻基板深度的條件，我們取0.5μm 以及 2μm 這兩個深度來作比較。圖 4.3.3.1 為蝕刻 基板深度2μm 的懸空微米捲管影像。由於蝕刻基板的溶液會產生側蝕的現象，因此溝 槽的底部寬度為 20μm，而溝槽在基板表面上的寬度約為 30μm。

圖 4.3.3.1 在深度 2μm 蝕刻基板溝槽上的懸空微米捲管影像【樣品 Lm5136】

光學顯微影像 (a)對焦於捲管上 (b)對焦於基板上 SEM 影像 (c)上視圖 (d)側視圖

(c)

(b)

(d) (a)

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圖 4.3.3.2 為在低溫 77K 的條件下，利用 Ar 雷射作為激發光源，對於不同基板蝕刻 深度的捲管作變功率微光激發螢光量測的結果。由實驗結果我們發現在基板蝕刻深度 0.5μm 以及 2μm 的條件下，都能測得捲管的光學共振模態，因此可見直接在製作捲管的 同一樣品基板上蝕刻足夠深度的溝槽，即可改善漏光至基板的情形，而並不需要使用到 轉移捲管的方式。

由圖 4.3.3.2(a)中的量測結果，我們發現雖然是有量測到光學共振模態，但是模態的 訊號大小與量子點的發光訊號大小相比並不明顯，尤其在波長小於 1000nm 的部分共振 模態訊號幾乎與其背景的量子點訊號相混合而無法清楚辨識。而由圖 4.3.3.2(b)的量測結 果可發現模態的訊號相對於背景的量子點發光訊號就明顯的多，且在波長 950nm 到 1000nm 的範圍仍有可清晰辨識的共振模態訊號。因此，我們推測在蝕刻基板深度 0.5μm 的條件下，可能仍然會有部分光波從捲管耦合至基板上，所以無法測得足夠清晰明顯的 共振模態。而在蝕刻基板深度2μm 的條件下，捲管的光已經可有效地避免與基板耦合，

因此可以測得清晰明顯的共振模態訊號。

表 4.3.3.1 則為針對在不同基板蝕刻深度溝槽上的捲管，分析其半導體材料等效折射 率的相關參數以及結果。我們發現蝕刻基板深度0.5μm 的樣品，計算得到的反射率與理 論值相差較大，推測可能是因為捲管距離基板不夠遠，依然會受到基板的影響。而基板 蝕刻深度2μm 的捲管，半導體的反射率就較為合乎理論值。綜合以上的量測以及分析 結果，蝕刻深度為2μm 的溝槽可以有效避免捲管的光與基板耦合而漏光的情形，因此 之後的實驗就以此作為固定的基板蝕刻深度條件。

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800 850 900 950 1000 1050 1100

-5000

PL Intensity (a.u.)

Wavelength (nm)

20uW 80uW 213uW Lm5136_substrate

etched 0.5um_77K power dependent

800 850 900 950 1000 1050 1100

-500

PL Intensity (a.u.)

Wavelength (nm)

20uW 80uW 213uW Lm5136_substrate

etched 2um_77K power dependent

圖 4.3.3.2 在低溫 77K，Ar 雷射激發下的微光激發螢光變功率量測光譜 【樣品 Lm5136】

(a)基板蝕刻深度為 0.5μm (b)基板蝕刻深度為 2μm (b)

(a)

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表 4.3.3.1 捲管在不同基板蝕刻深度溝槽上的等效折射率分析【樣品 Lm5136】

樣品條件 基板蝕刻深度0.5μm 基板蝕刻深度2μm

量子點發光波長λ (nm) 970 970

捲管直徑實驗值D (μm) 14.17625 14.17625 模態間峰值位置差值Δλ (nm) 5.1145 6.1923

半導體捲管的等效折射率 n_eff 4.13 3.41

圖 4.3.3.3 為針對在不同基板蝕刻深度溝槽上的捲管，對其微光激發螢光量測光譜所 作的光學共振模態分析。比較不同的基板蝕刻深度對於共振模態的影響，發現蝕刻基板 深度0.5μm 的樣品量測到的光學共振模態，其 Q 值較低，最高約在 600 左右。而基板蝕 刻深度2μm 的捲管，其共振模態的 Q 值明顯的提高，可高達到 1800 左右。基板蝕刻深 度達2μm 的捲管，其 Q 值可以明顯提高的原因，除了共振訊號較背景強而且清晰以外，

還有因為產生了與主要模態清晰分離的軸向模態(axial mode)所致。如同圖 4.3.3.3(b)中的 插圖所示，在同一個 azimuthal 模數下的一組模態中又包含了主要模態以及軸向的模態，

因此在利用勞倫茲函數擬合模態時會擬合到主要的模態，故半高寬較小而 Q 值因此提高。

量測時會有軸向模態的產生，我們推測是當光波在捲管管壁中行進時，除了會在圓周方 向環繞而產生共振以外，在捲管的軸向其實也可能會有共振的現象產生，因為捲管軸向 的邊緣也是折射率相差很大的空氣。假如我們另外在捲管的軸向上作光學局限的話，或 許就可以調控軸向模態使其避免與主要模態相混合而降低 Q 值，並且使光波能夠主要在 圓周方向上而非軸向上共振，以藉此提高光學共振模態中主要模態的訊號強度。

而在計算微光激發螢光量測光譜中的 azimuthal 模數時，我們可以發現在圖 4.3.3.3(a) 中計算出來的模態位置與實驗量測到的模態位置沒有相符合，不過∆λ 的值仍然是大致 相符的。而在圖 4.3.3.3(b)中，計算出來的模態位置與實驗結果就相對的吻合許多，誤差 都不超過 1nm。此結果同樣顯示了在蝕刻基板深度 2μm 的條件下，量測捲管光學共振 模態的準確度會較蝕刻基板深度為0.5μm 的準確度高。

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990 1000 1010 1020 1030

10000

PL Intensity (a.u.)

Wavelength (nm)

213uW Lm5136_substrate etched 0.5um_77K

FWHM~1.61

960 980 1000 1020

1000

m=159 158 157 156 155 154 153 152 151 150

PL Intensity (a.u.)

Wavelength (nm)

213uW Lm5136_substrate etched 2um_77K

FWHM~0.565 Q~1769

995 1000

(b) (a)

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