500nm 500nm SEM image
圖 圖圖
圖 3-3 微碟的微碟的微碟的微碟的 SEM 影像影像影像影像 3-1-3 光子晶體光子晶體光子晶體光子晶體製作流程製作流程製作流程製作流程
第一部分一樣為曝光，在量子點主動層表面上光阻後，再利用電子束 微影術(E-beam lithography)寫出所需的尺寸與位置之空氣柱。第二部分為乾 式蝕刻，利用高密度電漿子三五族蝕刻機(high density plasma etcher，HDP) 對無光阻的區域進行蝕刻。完成乾式蝕刻後，第三部分為選擇性蝕刻，將 樣品浸泡入氫氟酸掏空砷化鋁鎵犧牲層，使光子晶體上下部分皆為空氣 層，光子晶體共振腔到此製作完成。
500nm 500nm
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圖 3-4 L3 結構光子晶體結構光子晶體結構光子晶體 SEM 影像結構光子晶體 影像影像 影像
3-1-4 氮化銦與氮化銦鎵量子點氮化銦與氮化銦鎵量子點氮化銦與氮化銦鎵量子點氮化銦與氮化銦鎵量子點
本實驗室以有機金屬氣相沉積(MOCVD)成長氮化銦與氮化銦鎵量子
點 。 主 要 是 利 用 三 甲 基 鎵 (Trimethygallium ， TMGa) 與 三 甲 基 銦 (Trimethylindium，TMIn)提供三族的來源，五族來源則由氨氣(NH3)來提供。
成長的結構示意圖如圖 3-5 所示。首先，先在 c 面的藍寶石(sapphire) 基板上成長 520℃的氮化鎵成核層 25nm，再成長 1120℃的氮化鎵緩衝層 1µm，然後將溫度降至 650℃成長所需要的量子點。在成長氮化銦時，通入 110sccm(代表在 STP 下每分鐘流入多少立方公分之氣體)的 TMIn，通入 1000sccm 的 NH3作為五族來源，五三比為 6105，持續成長 30 分鐘，氮化 銦量子點成長完成。
成長氮化銦鎵的條件與氮化銦大致相同，只有在通入三族的氣體做了 改變。我們通入 95sccm 的 TMIn 與 15sccm 的 TMGa 試圖混合成氮化銦鎵，
其氣相銦組成為 86%，三族的總通量仍維持在 110sccm 不變。
圖 3-6(a)與(b)分別為氮化銦與氮化銦鎵量子點的 SEM 影像。
HT-GaN 1130°°°°C 1µm LT-GaN 520°°°°C 25nm
Sapphire(0001)
InN or InGaN dots 650°°°°C
HT-GaN 1130°°°°C 1µm LT-GaN 520°°°°C 25nm
Sapphire(0001)
InN or InGaN dots 650°°°°C
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圖 3-5 氮化銦與氮化銦鎵量子點結構示意圖氮化銦與氮化銦鎵量子點結構示意圖氮化銦與氮化銦鎵量子點結構示意圖氮化銦與氮化銦鎵量子點結構示意圖
1µm
1µm 1µm 1µm
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圖 3-6 (a)氮化銦與氮化銦與氮化銦與(b)氮化銦鎵量子點氮化銦與 氮化銦鎵量子點氮化銦鎵量子點氮化銦鎵量子點 SEM 影像影像影像影像
3-2 掃描式近場光學顯微術掃描式近場光學顯微術掃描式近場光學顯微術(SNOM) 掃描式近場光學顯微術 3-2-1 實驗架構實驗架構實驗架構實驗架構
圖 3-7 為 SNOM 系統的實驗架構圖，此近場系統為激發與收集模式
(Illumination-Collection mode)。我們利用 488nm 的 Argon 雷射作為激發光 源，雷射藉由分光鏡反射至物鏡中，聚焦至光纖截面後，經由多模光纖傳 輸至針尖激發樣品。樣品受雷射激發後產生 PL 訊號，PL 訊號再被近場探 針 收 集 經 由 光 纖 傳 回 物 鏡 ， 穿 過 分 光 鏡 後 到 達 光 譜 儀 與 光 電 倍 增 管 (PMT) ，PMT 偵測到的訊號再傳入鎖相放大器(Lock-in amplifer)增加訊噪 比。
3-2-2 探針製備探針製備探針製備探針製備
近場探針的製作在 SNOM 中是最重要的核心技術，要得到高解析度的 近場影像必須靠次微米尺度孔徑的光纖針尖。針尖的品質好壞主要有三大 要素︰第一是針尖要有較大的圓錐角度(cone angle)，因為輸出效率會較大
[9]，第二為侷限良好且圓形的孔徑，這需要將金屬鍍在針尖側面部分，防止 光從側邊漏出，使光只能從針尖出入[10]。第三為針尖金屬對雷射的抵抗力。
為了要達到以上探針高品質要求，主要有雷射融拉與化學蝕刻兩種方法，
雷射融拉目前為較穩定製作針尖的方法，重複率不但高而且製作速度快，
如圖 3-8(a)，利用 CO2 雷射加熱光纖，讓光纖融化後向左右兩邊施力，拉 開逐漸形成針尖。此方法所製的針尖表面較蝕刻方法平滑，金屬能均勻地 鍍在針尖側面，形成侷限良好的孔徑。但雷射融拉最大的缺點為針尖圓錐 角度普遍都很小，大約在 10 度左右，造成雷射或訊號在針尖區域傳輸時嚴 重地損耗，而化學蝕刻方法的針尖圓錐角度比較大而且控制的範圍也很 廣，比如本實驗室針尖角度能從 10 度改變至 40 度，使得化學蝕刻的輸出 效率比雷射融拉還要大。在近場的實驗中，因只收集部分樣品所發出的訊 號，所以針尖輸出效率對探測微弱訊號的樣品是非常重要的。
雖然化學蝕刻方法有較好的輸出效率，其最大的缺點是製程的不穩定 與針尖表面的不平整，例如早期利用表面張力原理的 Turner method[11]，此 方法對外界環境相當敏感，比如震動會改變液面的位置，溫度隨時間改變
則使得蝕刻速率不均勻，這些干擾皆會造成針尖表面的不平整。
為了解決這個困難，1998 年時 P. Lambelet[12]等人與 1999 年的 R.
Stockle[13]等人皆提出一種新的化學蝕刻方法：Tube etching。其製作方法如 圖 3-8(b)所示，從左到右為光纖蝕刻的過程。如圖 3-8(b)所示，將光纖連保 護層(jacket)一起浸入氫氟酸，此方法主要是將光纖的保護層當作蝕刻的邊 界條件，只讓 HF 進入光纖末端蝕刻，又因為光纖尖端外圈的 HF 對流中間 快，所以蝕刻速率較中間區域快，由此機制形成針尖的雛型。隨著時間增 加，外圍的光纖因離 jacket 尖端逐漸變遠，使得對流速率也跟著減慢，當內 外的蝕刻速率相同時，針尖角度便固定下來不在改變。最後再用濃硫酸將 光纖保護層去除，針尖的蝕刻步驟到此結束。
此蝕刻方法是靠在 jacket 內對流形成針尖，不像 Tuner method 會受液 面擾動的影響，所以對溫度與外界的震動不敏感能有效地改善針尖表面的 平整度，等於能提高鍍金屬在探針表面的品質。
圖 3-9(a)、(b)分別為本實驗室利用雷射融拉與化學蝕刻 tube etching 所 製作的針尖 SEM 影像，針尖的大小約為 100nm。
Time
jacket
Time
jacket CO2
laser
fiber
pull pull
CO2 laser
fiber
pull pull
圖 圖圖
圖 3-8 (a)雷射融拉雷射融拉雷射融拉(b)化學蝕刻雷射融拉 化學蝕刻化學蝕刻化學蝕刻 Tube etching 方法示意圖方法示意圖方法示意圖方法示意圖
100nm 100nm 100nm
100nm
(a) (b)
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圖 3-9 利用利用利用利用(a)雷射融拉與雷射融拉與雷射融拉與雷射融拉與(b)化學蝕刻化學蝕刻化學蝕刻化學蝕刻 Tube etching 方法製作探針的方法製作探針的方法製作探針的方法製作探針的 SEM 影像
影像 影像 影像