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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:黃炯舜
研究生(外文):Jiong-shun Huang
論文名稱:原子層-分子束磊晶成長銻化鎵於砷化鎵基材之特性
論文名稱(外文):The Characteristics of GaSb on GaAs Grown by ALE-MBE
指導教授:翁恆義
指導教授(外文):Heng-yi Weng
學位類別:碩士
校院名稱:國立中山大學
系所名稱:電機工程學系研究所
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:82
中文關鍵詞:分子束磊晶銻化鎵
外文關鍵詞:ALEGaSbMBE
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本論文包含兩大部分探討使用ALE-MBE方式成長銻化鎵薄膜與銻化鎵量子點。以原子層-分子束方法磊晶(ALE-MBE)成長銻化鎵,可成長出較高的薄膜品質,同時可準確的控制量子點的成長厚度。由於磊晶層與基板有著很大的晶格不匹配,亦即必須精確控制基板溫度,V/III比等成長機制,才可成長出高品質的磊晶層。在充分了解銻化鎵薄膜的成長條件後,有關量子點成長尺寸大小與密度的特性才能被精準地控制。
從分析X-ray 繞射、拉曼光譜以及PR光調制光譜之下,獲得在500 ℃~520℃,V/III = 2.5~3時是最佳的成長條件。再綜合薄膜成長結果應用於銻化鎵量子點成長,以控制銻化鎵原子層厚度來達到三維自組式量子點的產生,大約在3.1原子層厚度時可獲得最佳的結果,並利用AFM可觀察出銻化鎵量子點形成的特性。另外在不同的條件下,討論各種成長機制,如成長溫度、成長中斷時間、覆蓋層厚度等的參數下,量子點尺寸大小、密度和均勻性與成長參數間的關係。
This dissertation contains two parts which is included the Gallium antimony (GaSb) thin film and quantum dots grown by ALE-MBE process. The ALE-MBE technology was used to get better film quality and to control exactly the thickness of epitaxial layers for quantum dots growth. For the larger lattice mismatch, it will be carefully controlled the substrate temperature and V/III flux ratio based on the growth mechanism to obtain the high quality of GaSb films. After fully understanding the GaSb films growth, the characteristics of GaSb quantum dots such as the density and size could be controlled.

The XRD, Raman and Photo-reflectance measurements were used for obtaining the optimum growth conditions of Gasb films shown at temperature; 500~520℃and the V/III flux ratio about 2.5~3. The formation of three dimensional GaSb islands on GaAs substrate is expected at the deposition of a critical number of GaSb monolayer, About 3.1 monolayer grown is the optimum growth condition, and samples were characterized by atomic force microscopy (AFM). In order to control the dots size, sharp and dots density, the growth mechanism were discussed by analyzing different growth parameters included the growth temperature, thickness of monolayer, growth interruption time (GRI), and capped layer in detail.
目 錄
附表目錄…………………………………………………………..I
附圖目錄………………………………………………………….II
第一章 導 論.…………………………………….…..1
1-1 GaSb的材料特性……..……………………………...1
1-2 量子元件發展……………………………………...…2
1-3 GaSb於量子點元件的應用………………………..….4
1-4 本文各章節之介紹………………………………..…5
第二章 磊晶成長與實驗步驟………………………..6
2-1 MBE成長系統………………………………………….6
2-1-1 MBE與MOCVD比較…………………………………….6
2-1-2 成長環境…………..……………………………………..7
2-1-3 樣品配製………………………………….………10
2-2 基板處理……………………….…….….………….10
2-3 成長銻化鎵薄膜之步驟……….….……………….11
2-4 量測方法……………………..………………….....12
2-4-1 XRD………………….………….………………12
2-4-2 拉曼….………………..………...……………..16
2-4-3 PR………………………..…………………….17
第三章 銻化鎵磊晶成長機制…………………………22
3-1 銻化鎵的MBE成長………………………….…….22
3-2 量子點形成的機制………………………………….25
3-3 ALE成長……………………………………………...27
3-4 GaSb的薄膜與量子點成長方法…………………….29
3-4-1 成長前表面結構控制………….…………………...29
3-4-2 GaSb的ALE成長步驟………………………………30
3-4-3 GaSb量子點的成長步驟…………………………..31
第四章 結果討論………………………………………...34
4-1 銻化鎵的結構分析………………………………….34
4-2 銻化鎵的光性分析……….…………………………35
4-2-1 XRD量測結果………….………………………...35
4-2-2 拉曼量測結果………….……………………….37
4-2-3 PR量測結果…………………………..…………41
4-3 量子點成長討論…………………………………….44
4-3-1 溫度影響….……………………………………45
4-3-2 GRI時間影響…………………………………...46
4-3-3 成長厚度影響…………………………………….47
4-3-4 覆蓋層厚度影響…………………………………..48
第五章 結 論…………...……………...……..………..….......50
參考文獻………………………………………………………….96

附 表 目 錄
表2-1 MBE與MOCVD優缺點比較…………………………...52
表2-2 載台內部與基板位置相對溫度關係表…………….53
表2-3 X光繞射相關應用…………………………………..54
表4-1 樣品Tsub=500℃,VGa=2×10-7 Torr之拉曼光譜的TO/LO強度比對不同成長V/III比之比較表……………55
表4-2 樣品Tsub=520℃,VGa=2×10-7 Torr之拉曼光譜的TO/LO強度比對不同成長V/III比之比較表……………55
表4-3 樣品Tsub=550℃,VGa=2×10-7 Torr之拉曼光譜的TO/LO強度比對不同成長V/III比之比較表……………56
表4-4 樣品Tsub=520℃,VGa=4×10-7 Torr之拉曼光譜的TO/LO強度比對不同成長V/III比之比較表……………56
表4-5 樣品PR光譜圖之擬合結果…………………………57










附 圖 目 錄
圖1-1 量子井及其量子化能階示意圖…………………………..58
圖1-2 塊材、量子井、量子線及量子點之能態分佈示意圖…..59
圖2-1 MBE系統之方塊圖………………………………………...60圖2-2 成長腔及預備腔之結構圖………………………………..61
圖2-3 基板之溫度校正曲線……………………………………..62
圖2-4 離子真空計量測蒸氣壓之控制方塊圖…………………..63
圖2-5 Bragg’s Law 繞射圖形…………………………………64
圖2-6 對稱式布拉格角量測法…………………………………..65
圖2-7 Rocking curve掃描示意圖………………………………66
圖2-8 晶格振動圖………………………………………………..67
圖3-1 磊晶成長模式……………………………………………..68
圖3-2(a) GaSb/GaAs成長界面示意圖…..………………………….69
圖3-2(b) GaSb/GaAs成長界面示意圖…..………………………….69
圖3-3 GaSb/GaAs成長界面TEM圖………………………………70
圖3-4 GaSb/GaAs QDs成長程序圖………………………………71
圖4-1 銻過量表面狀態圖………………………………………..72
圖4-2 銻過量原子結構圖………………………………………..73
圖4-3 鎵過量表面狀態圖………………………………………..74
圖4-4 鎵過量原子結構圖………………………………………..75
圖4-5 理想狀態表面狀態圖……………………………………..76
圖4-6 理想狀態原子結構圖……………………………………..77
圖4-7(a) V/III=2.5 Tsub=480℃ 時之X光繞射圖……………..78
圖4-7(b) V/III=2.5 Tsub=500℃ 時之X光繞射圖……………..78
圖4-7(c) V/III=2.5 Tsub=520℃ 時之X光繞射圖……………..79
圖4-7(d) V/III=2.5 Tsub=540℃ 時之X光繞射圖……………..79
圖4-8 當V/III=2.5 PGa=2.0×10-7 Torr時峰值強度比與BEP比的關係…………………………………………………..80
圖4-9 當V/III=2.5 PGa=2.0×10-7Torr時,磊晶層半高寬/基板半高寬與基板溫度的關係…………………………….81
圖4-10(a) Tsub=500℃ V/III= 1 時之X光繞射圖……………..82
圖4-10(b) Tsub=500℃ V/III= 2 時之X光繞射圖……………..82
圖4-10(c) Tsub=500℃ V/III= 2.5 時之X光繞射圖…………..83
圖4-10(d) Tsub=500℃ V/III= 3 時之X光繞射圖……………..83
圖4-10(e) Tsub=500℃ V/III= 4 時之X光繞射圖………………84
圖4-11 當Tsub=500℃ PGa=2.0×10-7 Torr 時峰值強度比與BEP比的關係………………………………………………..84
圖4-12 當Tsub=500℃ PGa=2.0×10-7Torr時,磊晶層半高寬/基板半高寬與BEP比的關係……………………………...85
圖4-13(a) 基板溫度500度,V/III= 2的拉曼光譜………………86
圖4-13(b) 基板溫度500度,V/III= 3的拉曼光譜………………86
圖4-13(c) 基板溫度500度,V/III= 4的拉曼光譜………………87
圖4-14 基板溫度500度,V/III= 3,4的拉曼光譜比較圖……87
圖4-15(a) 基板溫度520度,V/III= 2的拉曼光譜………………..88
圖4-15(b) 基板溫度520度,V/III= 3的拉曼光譜……………….88
圖4-15(c) 基板溫度520度,V/III= 4的拉曼光譜……………….89
圖4-16 基板溫度500度,V/III= 3 和基板溫度520度,V/III= 4的拉曼光譜比較圖……………………………………89
圖4-17 樣品Tsub= 550℃,VGa = 2×10-7 Torr之拉曼光譜的TO/LO強度比對不同成長V/III比之比較圖………………...90
圖4-18 樣品Tsub= 520 ℃,VGa= 4×10-7 Torr之拉曼光譜的TO/LO強度比對不同成長V/III比之比較圖……...………….90
圖4-19 實驗樣品之PR圖譜……………………………………..91
圖4-20 GaSb量子點成長AFM圖…………………………………92
圖4-21 MOCVD不同溫度範圍下量子點尺寸圖………………….93
圖4-22 以MBE成長不同溫度下量子點尺寸圖………………….94
圖4-23 不同GRI時間,量子點尺寸遷移變化圖……………….95
圖4-24 量子點覆蓋層成長示意圖………………………...…….96
圖4-25 不同覆蓋層厚度下量子點尺寸、密度統計圖………….96
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