在本篇論文中，我們利用感應式耦合電漿反應性離子蝕刻( ICP-RIE ) 製造表面缺陷並縮短量子井和樣品表面距離；接著再使用濺鍍在樣品表面沉積厚度為300 nm的SiO2薄膜。高溫回火下，表面及SiO2薄膜內的空孔擴散到主動區內，造成量子井成分改變，而導致半導體發光波長藍移。
第一組實驗樣品由MOVCD成長，具有六個對稱性量子井的In0.58Ga0.42As0.90P0.10/In0.75Ga0.25As0.55P0.45結構，當我們設定ICP-RIE離子轟擊時間為兩分鐘，825℃下回火可得到64 nm的藍移量；第二組實驗樣品由MBE成長，結構為具三個對稱性量子井的In0.53Ga0.47As/In0.53Ga0.26Al0.21As，使用ICP-RIE轟擊樣品表面八分鐘，回火溫度為700℃時，得到本結構最佳藍移量60 nm；第三組實驗樣品為In0.77Ga0.23As0.79P0.21/ In0.57Ga0.43As0.64P0.36結構，同由MOCVD成長，當我們使用ICP-RIE轟擊此樣品四分鐘，回火溫度為800℃時可得到最大的藍移量90 nm。
同時，我們也比較ICP-RIE及濺鍍對量子井混合的影響。若使用濕蝕刻取代ICP-RIE則可以發現，ICP-RIE過程中電漿離子轟擊樣品表面而造成的缺陷是促成量子井混合的重要因素；沉積於表面SiO2薄膜中的空孔可提供原子更多擴散交換的位置，而得到更大的發光波長藍移量。另外，對於結構中含P的磊晶試片，藍移量隨著回火溫度的上升而增加。

In this thesis, we combined inductively coupled plasma reactive ion etching (ICP-RIE) and SiO2 sputtering to enhance quantum well intermixing (QWI). The samples used in this study were grown by molecular beam epitaxy (MBE) and metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) on InP substrates. MBE sample consists of three In0.53Ga0.47As quantum wells, and the other consists of three In0.77Ga0.23As0.79P0.21 quantum wells. Ar+ bombardment by ICP-RIE was the first process step, and then a 300 nm SiO2 capping layer was sputtered upon the samples. The processed samples were subject to rapid thermal annealing. The properties of quantum wells after annealing were determined by photoluminescence (PL) measurement.
The In0.53Ga0.47As/In0.53Ga0.26Al0.21As structure was used to design a series of experiments. First, we observed that the amount of blueshift increased with ICP-RIE time increased. ICP-RIE for 8 minutes was the optimum resulting in a bandgap blueshift of 60 nm, leaving a distance of about 200 nm between QWs and the SiO2 interface. The PL blueshift was directly ascribed to QWI caused by compositional interdiffusion between QWs and barriers. To determine how ICP-RIE affects QWI, we used H3PO4 solution to etch samples to the depth that was around 200 nm away from the QWs, and then coated by a sputtered SiO2 layer. Under 700℃ annealing, it gave rise to a blueshift of only 18 nm. And we also proved that the sputtered SiO2 capping layer provided an extra amount of bandgap blueshift. After the mechanism of QWI combining ICP-RIE and SiO2 sputtering was established, we applied this QWI process in In0.77Ga0.23As0.79P0.21/In0.57Ga0.43As0.64P0.36 material system, and we obtained a maximum amount of blueshift of 90 nm in this study.

本　文　目　錄

第一章 簡介 1
1-1 前言 1
1-2 文獻回顧 3
1-2-1 Impurity-Free Vacancy Disordering簡介 3
1-2-2應用濺鍍製程於量子井混合 6
1-2-3感應式耦合電漿離子蝕刻與量子井混合 9

第二章 實驗原理與儀器架構 11
2-1 感應式耦合電漿反應性離子蝕刻 ( ICP-RIE ) 11
2-2 濺鍍 ( Sputtering ) 13
2-3 快速高溫回火 ( RTA ) 16
2-4 光激螢光 ( PL ) 17

第三章 量子井混合製程步驟 20

第四章 實驗結果與分析 26
4-1 In0.58Ga0.42As0.90P0.10/ In0.75Ga0.25As0.55P0.45結構 26
4-2 In0.53Ga0.47As/ In0.53Ga0.26Al0.21As結構 30
4-2-1高溫回火對量子井混合的影響 30
4-2-2 ICP-RIE對量子井混合的影響 42
4-2-3濺鍍製程對量子井混合的影響 45
4-3 In0.77Ga0.23As0.79P0.21/ In0.57Ga0.43As0.64P0.36結構 46
第五章 結論 58

參考文獻 59




















圖　目　錄

第一章
圖1-1 量子井中，原子和缺陷以無規則方式擴散………………......5
圖1-2 GaAs-AlGaAs (●)及GaInP-AlGaInP(■)經過QWI後，回火溫度對藍移量的關係……………………………………………..8
圖1-3 分別使用濺鍍(●)和PECVD (○)在InGaAs-InGaAsP表面沉積 SiO2膜，比較其對QWI的影響……………………………….8
圖1-4 不同 ICP 蝕刻時間下， PL 峰值的變化……………………10

第二章
圖2-1 輝光放電時，電極間主要明暗區域示意圖..………………..12
圖2-2 氣體離子濺擊靶材表面示意圖………………………………14
圖2-3 自行組裝之濺鍍系統儀器架構簡圖…………………………14
圖2-4 格隙及空位擴散機制示意圖…………………………………16
圖2-5 價電帶和導電帶之間的載子躍遷示意圖……………………18
圖2-6 缺陷能階造成非輻射複合……………………………………18
圖2-7 光激螢光系統架設示意圖……………………………………19
第三章
圖3-1 量子井混合製程步驟如 (a) ~ (c) 所示……………………...25

第四章
圖4-1 In0.58Ga0.42As0.90P0.10/In0.75Ga0.25As0.55P0.45結構經過QWI製程後( ICP power = 250 W )的PL光譜圖……………………..........28
圖4-2 In0.58Ga0.42As0.90P0.10/In0.75Ga0.25As0.55P0.45結構經過QWI製程後( ICP power = 300 W )的PL光譜圖…………………………..28
圖4-3 製程前，650℃回火對In0.53Ga0.47As/In0.53Ga0.26Al0.21As結構之PL發光波長及發光強度的影響……………………………...31
圖4-4 In0.53Ga0.47As/In0.53Ga0.26Al0.21As結構經過QWI製程後( ICP-RIE蝕刻時間 = 4 min ) 的PL光譜圖………………...33
圖4-5 In0.53Ga0.47As/In0.53Ga0.26Al0.21As結構經過QWI製程後( ICP-RIE蝕刻時間 = 6 min ) 的PL光譜圖………………..33
圖4-6 In0.53Ga0.47As/In0.53Ga0.26Al0.21As結構經過QWI製程後( ICP-RIE蝕刻時間 = 8 min ) 的PL光譜圖………………...35
圖4-7 In0.53Ga0.47As/In0.53Ga0.26Al0.21As結構經過QWI製程後( ICP-RIE蝕刻時間 = 8.5 min ) 的PL光譜圖………………35
圖4-8 In0.53Ga0.47As/In0.53Ga0.26Al0.21As結構經過QWI製程後 ( ICP-RIE蝕刻時間 = 7 min ) 的PL光譜圖………………...36

圖4-9 QWI製程裡，不同ICP-RIE蝕刻時間對In0.53Ga0.47As/ In0.53Ga0.26Al0.21As結構之藍移量的影響……………………..36
圖4-10 QWI製程裡，不同ICP-RIE蝕刻時間對In0.53Ga0.47As/ In0.53Ga0.26Al0.21As結構之PL發光強度的影響………………38
圖4-11 QWI製程裡，不同ICP-RIE蝕刻時間對In0.53Ga0.47As/ In0.53Ga0.26Al0.21As結構之半高寬的影響………………...…...38
圖4-12 In0.53Ga0.47As/In0.53Ga0.26Al0.21As結構經過QWI製程後 ( ICP-RIE蝕刻時間 = 4 min )，重複回火對發光波長的影響………………………………………………………………40
圖4-13 In0.53Ga0.47As/In0.53Ga0.26Al0.21As結構經過QWI製程後 ( ICP-RIE蝕刻時間 = 6 min )，重複回火對發光波長的影響………………………………………………………………40
圖4-14 In0.53Ga0.47As/In0.53Ga0.26Al0.21As結構經過QWI製程後 ( ICP-RIE蝕刻時間 = 8 min )，重複回火對發光波長的影響………………………………………………………………41
圖4-15 重複回火對In0.53Ga0.47As/In0.53Ga0.26Al0.21As結構之半高寬的影響……………………………………………………………41
圖4-16 In0.53Ga0.47As/In0.53Ga0.26Al0.21As結構經過濺鍍製程及回火後的PL光譜圖…………………………………………………..43
圖4-17 使用H3PO4濕蝕刻取代ICP-RIE乾蝕刻，In0.53Ga0.47As/ In0.53Ga0.26Al0.21As結構經過QWI製程後的PL光譜圖……...43
圖4-18 結合H3PO4濕蝕刻和ICP-RIE乾蝕刻，In0.53Ga0.47As/ In0.53Ga0.26Al0.21As結構經過QWI製程後的PL光譜圖……...44
圖4-19 In0.53Ga0.47As/In0.53Ga0.26Al0.21As結構經過ICP-RIE乾蝕刻及回火後的PL光譜圖……………………………………………..45
圖4-20 回火對In0.77Ga0.23As0.79P0.21/ In0.57Ga0.43As0.64P0.36發光波長的影響 (不經QWI製程)…………………………………………..48
圖4-21 In0.77Ga0.23As0.79P0.21/ In0.57Ga0.43As0.64P0.36結構經過QWI製程後 ( ICP-RIE蝕刻時間 = 1 min ) 的PL光譜圖…………….50
圖4-22 In0.77Ga0.23As0.79P0.21/ In0.57Ga0.43As0.64P0.36結構經過QWI製程後 ( ICP-RIE蝕刻時間 = 3 min ) 的PL光譜圖…………….50
圖4-23 In0.77Ga0.23As0.79P0.21/ In0.57Ga0.43As0.64P0.36結構經過QWI製程後 ( ICP-RIE蝕刻時間 = 4 min ) 的PL光譜圖…………….51
圖4-24 In0.77Ga0.23As0.79P0.21/ In0.57Ga0.43As0.64P0.36結構經過QWI製程後 ( ICP-RIE蝕刻時間 = 6 min ) 的PL光譜圖…………….51
圖4-25 In0.77Ga0.23As0.79P0.21/ In0.57Ga0.43As0.64P0.36結構經過濺鍍製程及回火後的PL光譜圖…………………………………………..52
圖4-26 QWI製程裡，不同ICP-RIE蝕刻時間對In0.77Ga0.23As0.79P0.21/ In0.57Ga0.43As0.64P0.36結構之藍移量的影響…………………...53
圖4-27 QWI製程裡，不同ICP-RIE蝕刻時間對In0.77Ga0.23As0.79P0.21/ In0.57Ga0.43As0.64P0.36結構之半高寬的影響…………………...53

圖4-28 回火時間對In0.77Ga0.23As0.79P0.21/ In0.57Ga0.43As0.64P0.36結構之藍移量的影響……………………………………………………54
圖4-29 使用PECVD在In0.77Ga0.23As0.79P0.21/ In0.57Ga0.43As0.64P0.36樣品表面沉積厚度為300 nm的SiO2薄膜，高溫回火後的PL光譜圖................................................................................................56
圖4-30 量子井混合前後的XRD繞射圖譜之比較…………………...56
圖 4-31 QWI前後，In0.77Ga0.23As0.79P0.21/ In0.57Ga0.43As0.64P0.36結之能帶變化示意圖……………………………………………………57









表目錄

第一章
表1-1 各能階躍遷實驗值與計算值比較……………………………..5

第二章
表2-1 濺鍍系統各部位元件功能及工作範圍…………………........15

第三章
表3-1 ICP-RIE乾蝕刻各項實驗參數設定值………………………..21
表3-2 濺鍍製程各項實驗參數設定值………………………………22

第四章
表4-1 In0.58Ga0.42As0.90P0.10/In0.75Ga0.25As0.55P0.45結構圖……………..27
表4-2 量子井混合前後，樣品PL發光波長、強度以及半高寬比較...29
表4-3 In0.53Ga0.47As/In0.53Ga0.26Al0.21As結構圖……………………...31
表4-4 In0.77Ga0.23As0.79P0.21/ In0.57Ga0.43As0.64P0.36結構圖…………….47

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