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研究生:張峻瑋
研究生(外文):Chun-Wei Chang
論文名稱:氮化鎵奈米柱之光學特性研究
論文名稱(外文):Study of optical properties of GaN nanorods
指導教授:王興宗
指導教授(外文):S. C. Wang
學位類別:碩士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:光電工程所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:63
中文關鍵詞:奈米柱氮化鎵顯微螢光光譜近場光學顯微鏡p型氮化鎵量子井
外文關鍵詞:nanorodGaNμ-PLnear filed scaning optical microscopep-type GaNquantum well
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在本論文中,我們利用共焦顯微鏡與光激輝光光譜技術研究兩種氮化鎵奈米柱結構的光學特性。一種為利用感應式耦合電漿蝕刻(ICP-RIE)之p型氮化鎵奈米柱,另一種是以相同方法蝕刻出含有多重量子井之氮化鎵奈米柱。在p型氮化鎵奈米柱研究方面,我們針對奈米柱與薄膜處的光學特性做了比較。我們利用氦鎘雷射(波長為325nm)作為激發光源來量測奈米柱(直徑30nm)與薄膜處的光激輝光光譜。我們發現在奈米柱所量測的波長比起薄膜處所量得的波長藍移了67meV,由於此發光波段為鎂原子摻雜p型氮化鎵所形成的給子-受子對(Donor-Acceptor Pair)所造成的光學躍遷,我們認為此藍移為給子-受子對在奈米尺寸下造成的特性變化,我們改變激發光強度12kW/cm2到56kW/cm2來驗證與研究此一特殊現像。
在含有多重量子井之氮化鎵奈米柱方面,我們觀察其光激輝光影像及光譜,其光譜皆為393nm,之後並比較不同溫度下所量測奈米柱與薄膜處的光激輝光光譜,得到發光強度與躍遷能量隨溫度的變化,我們發現奈米柱多重量子井的活化能比薄膜多重量子井小了26meV,這是因為奈米柱表面態造成非輻射再結的影響。由變化激發光強度,我們也得到在不同載子注入下奈米柱發光的特性,在增加激發光強至81kW/cm2時,奈米柱多重量子井光激輝光光強仍然保持線性。

In this thesis, we employed a confocal microscope and the photoluminescence technique to investigate the optical properties of two different structures of gallium nitride (GaN) nanorods. One is the p-type GaN nanorods fabricated by induced coupled plasma-reactive ion etch (ICP-RIE), and another is the GaN nanorods embedded multiple quantum wells (MQW) manufactured by the same approach. In p-type GaN nanorods we compared the optical properties of the nanords with those of the film. The continuous-wave He-Cd laser at 325nm for the photoluminescence was used to excite the nanorods and the film. A typical donor-acceptor pair (DAP) transition around 3.0 eV was discovered in both the Mg-doped GaN nanorods and the Mg-doped GaN film. Blue shifts were also found in both of them as the pumping power increased, and the blue shift for the nanorods was larger than that for the film. The difference in the blue shift ranged from 8 to 67 meV as the pumping power rose from 12 to 56 kW/cm2. The results suggest that the blue-shift stems from the characteristics of DAP in nanorods, where the PL emission from distant DAP is quite easily saturated with the increase in excitation density, and reveals a blue-shift spectrum.
In GaN nanorods embedded MQW, the confocal images and the photoluminescence spectra were observed, and both the nanorods and the film emitted the radiation at 393nm. The emission intensities and transition energy of temperature-dependent photoluminescence spectra varied with the temperature. In addition, the activation energy of the nanorods embedded MQW was 26 meV lower than that of the film. These results imply that the surface states of the nanorods may lead to more non-radiative recombination. The optical properties of nanords with different injection carriers were discovered by excitation-dependent photoluminescence. The photoluminescence intensity of nanorods is still linear even when the excitation power rises to a higher value of 81 kW/cm2.

章節目錄 Page
中文摘要 i
英文摘要 iii
誌謝 iv
章節目錄 v
第一章 序論
1-1 氮化鎵材料的發展 1
1-2 奈米結構的發展 2
第二章 實驗儀器原理 5
2-1 共焦顯微鏡 5
2-1.1 共焦顯微鏡的發展 5
2-1.2 共焦掃描之原理 5
2-2 實驗系統架構 9
第三章 氮化鎵材料特性 13
3-1 應變及壓電場之影響 13
3-1.1 應變的產生及影響 13
3-1.2 壓電效應 16
3-2 量子侷限效應之分析 19
3-2.1 理想低維系統 19
3-3 p型氮化鎵光譜特性 26
3-3.1 26
3-3.2 給子-受子對能量躍遷 31
第四章 P型氮化鎵奈米柱研究 34
4-1 樣品結構 34
4-2 AFM及SEM影像 35
4-3 光激輝光顯微鏡影像及顯微光激輝光光譜量測結果 36
4-4 結論 46
第五章 氮化鎵多重量子井奈米柱之光學特性研究 47
5-1 樣品結構 47
5-2 掃描式電子顯微鏡影像 47
5-3 光激輝光顯微鏡影像及顯微光激輝光光譜量測結果 48
5-4 低溫80K下光激輝光的研究 51
5-4.1 改變激發光強的光激輝光光譜位移 51
5-4.2 改變激發光強的光激輝光光強變化 52
5-5 變溫之光激輝光研究 54
5-6 結論 56
第六章 總結與未來展望 57
6-1 總結 57
6-2 未來展望 58
參考文獻 60

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