臺灣博碩士論文加值系統

本論文旨在探討Ⅱ-Ⅵ族半導體奈米結構之穩定性研究。我們觀察覆蓋2nm之金膜後，不同大小之量子點結構在經過不同時間後的變化，希望藉由覆蓋金膜可以在長時間上保存半導體的奈米結構。
在實驗上，首先以熱壁式磊晶系統來製作我們的樣品，藉由控制GaAs(001)基板表面洗滌、磊晶厚度與成熟期時間等條件，得到較佳的量子點結構，接著以AFM來觀測覆蓋2nm金膜後，量子點結構在不同時間點上的結構變化。
在量子點的特殊結構中，我們經由適當的實驗條件，可以製作出量子環與量子花之特殊結構，針對這些實驗條件，我們分析出這些特殊結構的生長機制。

This thesis is devoted to study the stability of Ⅱ-Ⅵ semiconductor nanostructure.We study the stability of semiconductor QDs with respect to the time demain which different ages of QDs were capped by 2nm gold film .We hope to preserve the semiconductor nanostructure for a long time by capping the gold film.
Experimentally, our samples of CdSe quantum dots were growth on the (001) GaAs substrate by a Hot Wall Epitaxy(HWE) System.We controlled the conditions of the etching , epitaxy thickness and mature period to get optimal structure of quantum dots.By using an atomic force microscopy (AFM),we observed the stability of semiconductor QDs , which were capped by 2nm gold film.
On the other hand , we have fabricated some special structure such as：necklace , flower like as well as quantum ring structures.We also describe the mechanism for the formations of above structures.

目 錄
序論………………………………………………………………………1
ㄧ、量子點簡介…………………………………………………………4
1-1自聚性量子點 ………………………………………………………4
1-2量子點的磊晶模式 …………………………………………………6
二、量子點理論簡述……………………………………………………10
2-1量子侷限效應之簡介………………………………………………10
2-2量子侷限效應之理論………………………………………………13
2-3弱侷限範疇…………………………………………………………17
2-4強侷限極限…………………………………………………………18
三、實驗裝置……………………………………………………………24
3-1熱壁式磊晶系統……………………………………………………24
3-2光激發發光實驗系統………………………………………………29
3-3掃描式電子顯微鏡…………………………………………………33
3-4.1原子力顯微鏡……………………………………………………35
3-4.2 AFM探針隨掃描次數的變化……………………………………38
四、實驗過程與數據分析………………………………………………40
4-1 GaAs基板洗滌測試 ………………………………………………40
4-1.1固定雙氧水(7ml)與硫酸(21ml)，改變純水之量………………43
4-1.2固定雙氧水(7ml)與硫酸(7ml)，改變純水之量………………45
4-2自聚性CdSe量子點磊晶厚度與成熟期時間測試 ………………48
4-3 覆蓋金膜前後對量子點的影響 …………………………………66
4-3.1覆蓋金膜前後量子點結構的變化…………………………66
4-3.2覆蓋金膜前後PL發光之比較 ……………………………69
4-4自聚性CdSe量子點覆蓋金膜對時間穩定性之研究 ……………73
4-4.1 磊晶厚度1ML量子點覆蓋2nm金膜隨時間之變化………73
4-4.2 磊晶厚度2ML量子點覆蓋2nm金膜隨時間之變化………98
4-4.3 磊晶厚度3ML量子點覆蓋2nm金膜隨時間之變化 ……122
五、量子點的特殊結構………………………………………………150
5-1火山口環形特殊結構 ……………………………………………150
5-2網狀與同心環特殊結構 …………………………………………155
5-3環狀結構 …………………………………………………………161
六、結論………………………………………………………………166
七、參考文獻…………………………………………………………168
八、附錄………………………………………………………………172
附錄.1…………………………………………………………………172
附錄.2…………………………………………………………………173
附錄.3…………………………………………………………………174
圖1-1磊晶生長模式 8
圖2-1激子在不同侷限效應結構中的自由度 11
圖2-2以Stranski- Kranstanov成長模式成長量子點 12
圖2.3-1由兩種半導體材料A、B所構成的單一量子位能井 13
圖2.3-2似氫原子能階激子束縛能圖 16
表2.4-1 Roots of the Bessel functions 18
圖2.4-2 (a)強侷限下的激子能階情形 (b)為其吸收光譜 19
圖2.4-3 侷限位能由Kayanuma所發現，尺寸與能量關係 20
圖2.4-4 Born-Oppenheimer approximation所得出的尺寸與能量關係 21
圖2.4-5 有效質量近似下，不同材料中，能隙與尺寸大小關係 22
圖3-1 渦輪分子邦浦結構示意圖 25
圖3-2 B-A式離子真空計結構示意圖 26
圖3-3 熱壁式磊晶生長系統(a)內部示意圖(b)照片 27
圖3-4光激發發光光譜實驗裝置圖 32
圖3-5 SEM系統 （a）系統全貌 （b）樣品腔 （c）金膜電鍍器 34
圖3-6 SEM系統示意圖 34
圖3-7 AFM系統 （a）裝置全貌 （b）探針與樣品載台 （c）探針固定座 37
圖3-8原子力顯微鏡構造示意圖 37
圖3-9 AFM探針掃描次數與樣品直徑放大倍率之關係圖 39
圖4-1 GaAs的等蝕刻曲線(H2SO4：H2O2：H2O)系統 42
圖4-2(a)~(e) 改變混合液中純水比例之10萬倍SEM圖 44
圖4-3 改變純水比例[1：1：1] ~ [7：1：1] 46
圖4-4改變純水比例 [8：1：1] ~ [18：1：1] 47
圖4-5 固定成熟期時間300秒，改變磊晶厚度 (10X10μm) 49
圖4-6 固 58定成熟期時間300秒，改變磊晶厚度 ( 5X5μm) 50
圖4-7(a) 成熟期300秒，1ML~4ML量子點平均高度的比較 52
圖4-7(b) 成熟期300秒，1ML~4ML量子點平均直徑的比較 52
圖4-7(c) 成熟期300秒，1ML~4ML量子點高寬比的比較 53
圖4-7(d) 成熟期300秒，1ML~4ML量子點密度的比較 53
圖4-8(a)~(c) 固定1ML，改變成熟期時間 56
圖4-8(d)~(f) 固定1ML，改變成熟期時間 57
圖4-9(a) 1ML量子點改變成熟期的平均高度比較 58
圖4-9(b)1ML量子點改變成熟期的平均直徑比較 58
圖4-9(c)1ML量子點改變成熟期的高寬比之比較 59
圖4-9(d)1ML量子點改變成熟期的密度比較 59
圖4-10 (a)~(c)固定2ML，改變成熟期時間 62
圖4-10 (d)~(e) 固定2ML，改變成熟期時間 62
圖4-11 (a) 2ML量子點改變成熟期的平均高度比較 63
圖4-11(b) 2ML量子點改變成熟期的平均直徑比較 63
圖4-11(c) 2ML量子點改變成熟期的高寬比之比較 64
圖4-11(d) 2ML量子點改變成熟期的密度比較 64
圖4-12 G1~G3覆蓋金膜前後高度之比較 67
圖4-13 G1~G3覆蓋金膜前後平均高度之比較 68
圖4-14 (a) 自聚性CdSe量子點不同溫度的PL光譜圖 70
圖4-14 (b) 溫度21k時，PL光譜訊號放大 70
圖4-15 (a) 6ML的CdSe量子點AFM-2D圖像 72
圖4-15 (b) CdSe量子點覆蓋金膜前後之PL光譜比較 72
圖 4-16 1ML系列 74
圖 4-17(a) 1ML系列平均高度之比較 75
圖 4-17(b) 1ML系列平均直徑之比較 75
圖 4-17(c) 1ML系列高寬比(H/D)之比較 76
圖 4-17(d) 1ML系列密度之比較 76
圖 4-18 樣品G101第2天~第5天AFM-2D與3D觀測 79
圖 4-18 樣品G101第7天~第9天AFM-2D與3D觀測圖像 80
圖 4-19 (a) G101平均高度之變化 81
圖 4-19 (b) G101平均直徑之變化 81
圖 4-19 (c) G101高寬比(H/D)之變化 82
圖 4-19 (d) G101密度之變化 82
圖 4-20 樣品N101第2天~第5天AFM-2D與3D觀測圖像 85
圖 4-20 樣品N101第7天~第21天AFM-2D與3D觀測 86
圖 4-21 (a) N101平均高度之變化 87
圖 4-21 (b) N101平均直徑之變化 87
圖 4-21 (c) N101高寬比(H/D)之變化 88
圖 4-21 (d) N101密度之變化 88
圖 4-22 樣品G102第2天~第5天AFM-2D與3D觀測圖像 90
圖 4-22 樣品G102第7天~第21天AFM-2D與3D觀測圖像 90
圖 4-23 (a) G102平均高度之變化 92
圖 4-23 (b) G102平均直徑之變化 92
圖 4-23 (c) G102高寬比(H/D)之變化 93
圖 4-23 (d) G102密度之變化 93
圖 4-24 (a) 1ML系列平均高度之比較 96
圖 4-24 (b) 1ML系列平均直徑之比較 96
圖 4-24 (c) 1ML系列高寬比(H/D)之比較 97
圖 4-24 (d)1ML系列密度之比較 97
圖 4-25 2ML系列 100
圖 4-26 (a) 2ML系列平均高度之比較 101
圖 4-26 (b) 2ML系列平均直徑之比較 101
圖 4-26 (c) 2ML系列高寬比(H/D)之比較 102
圖 4-26 (d) 2ML系列密度之比較 102
圖 4-27 樣品G201第2天~第5天AFM-2D與3D觀測圖像 104
圖 4-27 樣品G201第7天~第9天AFM-2D與3D觀測圖像 105
圖 4-28 (a) G201平均高度之變化 106
圖 4-28 (b) G201平均直徑之變化 106
圖 4-28 (c) G201高寬比(H/D)之變化 107
圖 4-28 (d) G201密度之變化 107
圖 4-29 樣品N201第2天~第5天AFM-2D與3D觀測圖像 110
圖 4-29 樣品N201第7天~第21天AFM-2D與3D觀測圖像 111
圖 4-30 (a) N201平均高度之變化 112
圖 4-30 (b) N201平均直徑之變化 112
圖 4-30 (c) N201高寬比(H/D)之變化 113
圖 4-30 (d) N201密度之變化 113
圖 4-31 樣品N202第2天~第5天AFM-2D與3D觀測圖像 115
圖 4-31 樣品N202第7天~第21天AFM-2D與3D觀測圖像 116
圖 4-32 (a) N202平均高度之變化 117
圖 4-32 (b) N202平均直徑之變化 117
圖 4-32 (c) N202高寬比(H/D)之變化 118
圖 4-32 (d) N202密度之變化 118
圖 4-33 (a) 2ML系列平均高度之比較 120
圖 4-33 (b) 2ML系列平均直徑之比較 120
圖 4-33 (c) 2ML系列高寬比(H/D)之比較 121
圖 4-33 (d) 2ML系列密度之比較 121
圖 4-34 3ML系列 123
圖 4-35 (a) 3ML系列平均高度之比較 124
圖 4-35 (b) 3ML系列平均直徑之比較 124
圖 4-35 (c) 3ML系列高寬比(H/D)之比較 125
圖 4-35 (d) 3ML系列密度之比較 125
圖 4-36 (a)樣品G301第2天~第4天AFM-2D與3D觀測圖 128
圖 4-36 (b)樣品G301第5天~第24天AFM-2D與3D觀測圖 129
圖 4-36 (c)樣品G301第30天~第61天AFM-2D與3D觀測圖像 130
圖 4-37 (a) G301平均高度之變化 131
圖 4-37 (b) G301平均直徑之變化 131
圖 4-37 (c) G301高寬比(H/D)之變化 132
圖 4-37 (d) G301密度之變化 132
圖 4-38 (a)樣品N301第2天~第4天AFM-2D與3D觀測圖像 135
圖 4-38 (b)樣品N301第5天~第24天AFM-2D與3D觀測圖像 136
圖 4-38 (c)樣品N301第25天~第61天AFM-2D與3D觀測圖像 137
圖 4-39 (a) N301平均高度之變化 138
圖 4-39 (b) N301平均直徑之變化 138
圖 4-39 (c) N301高寬比(H/D)之變化 139
圖 4-39 (d) N301密度之變化 139
圖 4-40 (a)樣品N302第2天~第4天AFM-2D與3D觀測圖 141
圖 4-40 (b)樣品N302第5天~第24天AFM-2D與3D觀測圖像 142
圖 4-40 (c)樣品N302第25天~第61天AFM-2D與3D觀測圖像 143
圖 4-41 (a) N302平均高度之變化 144
圖 4-41 (b) N302平均直徑之變化 144
圖 4-41 (c) N302高寬比(H/D)之變化 145
圖 4-41 (d) N302密度之變化 145
圖 4-42 (a)3ML系列平均高度之比較 148
圖 4-42 (b)3ML系列平均直徑之比較 148
圖 4-42 (c)3ML系列高寬比(H/D)之比較 149
圖 4-42 (d)3ML系列密度之比較 149
圖 5-1 (a)~(d) 覆蓋厚度3ML，不同天數的AFM觀測圖 152
圖 5-2 (a)第4天掃描範圍(7.5μm × 7.5μm) 153
圖 5-2 (b)第4天掃描範圍(2.5μm × 2.5μm) 153
圖 5-3 (a)~(d) SPMLab Analysis Only軟體轉換曲線圖 154
圖 5-4 (a)~(f) 固定磊晶厚度2ML，改變成熟期時間 157
圖 5-5 (a)~(d) 2ML、6min不同位置及放大倍率的AFM-2D與3D圖 158
圖 5-6 (a)~(d) 不同放大倍率SEM圖 159
圖 5-7 (a) 2ML、9min 掃描範圍 ( 10μm × 10μm ) 160
圖 5-7 (b) 2ML、9min 掃描範圍 (3.5μm × 3.5μm ) 160
圖 5-8 不同混合液洗滌條件的基板表面SEM圖 163
圖 5-9 4ML系列不同基板洗滌條件的AFM- 3D圖 164
圖 5-10 6ML系列不同基板洗滌條件的AFM- 3D圖 165
圖 5-11 樣品(A)S404與(B)S604局部放大掃描的AFM- 3D圖 165

參考文獻
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