圖 3-3 表示 A、B、C 在不同的銻/背景砷比例下的 1 × 1
m
2 原31
子力顯微鏡顯示圖。由圖可知樣品 A 可維持整個樣品表面都是量子 點，這代表大範圍的量子點可顯現在比較高的銻/背景砷的比例。隨 者降低銻/背景砷的比例，樣品 B、C 會逐漸出現量子環，根據原子力 顯微鏡圖顯示，可知 A、B、C 的量子點與量子環的密度分別是 3.27/0，
1.93/0.69 和 1.03/1.72 × 1010 cm-2，可算出銻化鎵量子點所佔的比例分 別是 100, 74 和 37%。這結果顯示即使在較大銻流量和砷擋板關閉下，
背景砷還是可使量子點轉換成量子環。我們藉由 AFM 圖也觀察到 樣品 A、B、C 量子點/量子環的高度比例會隨著銻/背景砷流量的比 例下降而下降，分別是 5.2/0，2.5/1.1 及 2.2/1.3 nm。根據圖 3-3，我 們可發現樣品 C 的量子環比例已經上升到 73%，由前述討論可知要 得到表面形貌全都是量子環的樣品需要把銻/背景砷流量比例降得更 低，所以我們把銻的流量降低，樣品 D、E 就是在相同的成長後銻浸 潤步驟下把銻的流量降低，以得到更低的銻/背景砷流量的比例。
圖3-4為樣品 D、E 的 1 × 1 m2原子力顯微鏡顯示圖。由於 D、
E 的銻/背景砷流量的比例都低於1，所以都可以在表面得到百分之百 都是銻化鎵量子環，而沒有量子點出現。同時我們也觀察到樣品 D、
E 的量子環高度會隨著銻/背景砷流量比例降低而下降，分別是 1.1 和 0.9 nm。由此可知，我們可藉由銻/背景砷的比例有效控制銻化鎵 量子點或量子環的出現與比例等材料參數。
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圖3-5為樣品 A、B、C、D 量子點和量子環的密度對上銻/背景 砷流量比例的關係圖。從圖可知，隨著銻/背景砷流量比例的下降，
銻化鎵量子點密度會下降，而銻化鎵量子環密度會上升，但量子點和 量子環的密度總和卻幾乎沒變，代表銻化鎵量子點會隨著銻/背景砷 比例的下降而逐漸轉換成量子環，而且量子點最後會全部轉換成量子 環，主要原因是成長後銻浸潤期間會有強烈的砷銻置換反應的發生 [24]。
為了解釋這個現象，我們提出一個銻化鎵量子環成長機制模型，
如圖 3-6 所示。在這個機制中，分成 CaseⅠ和 CaseⅡ。首先在 Case
Ⅰ中，銻/背景砷比例超過 5，這代表銻原子數量遠超過砷原子，如此 砷原子就幾乎不會到達銻化鎵量子點表面。在此情形下，砷和銻置換 反應將會被大大抑制，而量子環將不會出現，故表面將全部都是量子 點。而在 CaseⅡ中，銻/背景砷流量比例低於 5，如此砷原子碰觸到 銻化鎵量子點表面的機會將會大增。由於在銻化鎵量子點表面有比較 大的應變 (strain) 作用，所以銻原子會在銻化鎵量子點表面頂端與砷 原子進行排斥作用和砷-銻置換反應。而跑到表面下方的銻原子會跟 表面進行隔離且會再一次跟砷原子進行置換反應。經由重複地砷銻置 換和銻原子的向外擴散，銻化鎵量子點最終會形成銻化鎵量子環。因 為以上這些步驟都是高度仰賴背景砷原子的數量，所以較低的銻/背
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景砷流量比例會造成較低的量子環高度，這代表有更多的砷原子會參 與以上步驟。
樣品 A、B、C 在 10K 時的 PL 頻譜如圖 3-7。如圖所示，PL 強度會隨著銻/背景砷流量比例的下降而上升，其可能的機制在於隨 著銻/背景砷比例下降時會導致更強銻/砷置換作用，進而造成銻化鎵/
砷化鎵界面較不陡峭，在此情況下，型態Ⅱ的量子環會有更多的電子 電洞對波函數重疊 (overlapping)，使得複合發光效果提升 [26]。同時 我們也觀察到從 A 至 C 的 PL 波鋒是呈現紅移而非藍移，這跟我們預 測它因為銻/背景砷比例下降，而使奈米結構變小而呈現波鋒藍移的 猜測相反。我們推論其原因是在成長後銻浸潤程序時，我們使用了大 量的銻，使過剩的銻原子和砷化鎵覆蓋層結合產生作用。若是如此，
在砷化鎵層與銻化鎵量子環之間就不單是銻化鎵/砷化鎵界面，也有 可能造成銻化鎵/銻砷化鎵界面。因此隨著銻/背景砷比例下降時，銻 的含量在銻化鎵/銻砷化鎵界面也會下降，這將會造成銻砷化鎵界面 傳導帶能階下降，使得能隙變小而造成波峰紅移現象。
而為了證明樣品 A、B、C 的光致發光都來自型態Ⅱ的異質結構，
我們分別利用給不同雷射功率大小去量測這三個樣品的 PL 波峰位 置能量，如圖 3-8 所示。此三個樣品的波峰位置能量和能量功率密度 的立方跟會呈線性關係，這代表它們的光致發光確實都是來自型態Ⅱ
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的異質結構 [27]。
而圖 3-9 是樣品 D 和 E 的 10 K PL 頻譜，結果顯示隨著銻/背景 砷比例下降至小於 1 時，PL 波峰會呈現藍移而不是紅移。因為樣品 D、E 在銻浸潤程序時的銻/背景砷比例低到小於 1，所以樣品 D、E 相較於 A、B、C 有比較低的銻流量，故銻和砷化鎵覆蓋層幾乎不會 產生結合作用。而在原子力顯微鏡方面，可以看到其量子環或量子點 的高度仍然會隨銻/背景砷比例下降而下降。由此可知，主要造成樣 品 D、E 的 PL 波峰藍移現象的主因是量子環高度會隨著銻/背景砷 比例下降而下降，而量子環高度下降會造成侷限能階提升，進而造成 PL 波峰藍移。
另外一個有趣現象是這五個樣品都有很強的 PL 強度，樣品 A、
C、D 在 10 K 時的 PL 頻譜如圖 3-10 所示，它們的 PL 強度會隨著 銻/背景砷比例下降而上升，其中樣品 D 的 PL 強度大約為樣品 A 的 20 倍。而造成樣品 D 有較強 PL 強度的可能機制有兩個，一個是當 銻/背景砷比例下降時會造成強烈的砷-銻置換效應，使得它有較不陡 峭的銻化鎵/砷化鎵接面，進而造成電子電洞對波函數重疊變多。另 一個原因是量子環比量子點有更多的周圍電子環繞，所以量子環比量 子點有更好的複合發光效果 [23,28]，而這兩個機制的示意圖分別為 圖 3-11 (a) 和 (b) 所示，圖 3-11 (a)表示銻化鎵量子環有比較不陡峭
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的銻化鎵/砷化鎵接面，使它的電子電洞對波函數重疊提升，圖 3-11 (b) 表示銻化鎵量子環比銻化鎵量子點有更多面積暴露於砷化鎵層，所以 有更多的電子圍繞在銻化鎵量子環表面而形成更多可供複合的電子 電洞對。