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研究生:許得彰
研究生(外文):De-chang Hsu
論文名稱:量子點混合技術調變發光波段之研究
論文名稱(外文):Investigation of Quantum Dot Intermixing Technique To Modify Emission Wavelength
指導教授:賴聰賢
指導教授(外文):Tsong-Sheng Lay
學位類別:碩士
校院名稱:國立中山大學
系所名稱:光電工程研究所
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:101
中文關鍵詞:量子點混合濺鍍
外文關鍵詞:sputterquantum dot intermixing
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摘要

本論文的主旨在於利用IFVP與PID的技術去改變半導體能隙於量子井與量子點而達成量子井混合(QWI)與量子點混合(QDI)。對於研究量子井的實驗,我們結合感應式耦合電漿反應性離子蝕刻(ICP-RIE) 與濺鍍系統(sputter)分別製造缺陷與濺鍍300nm的SiO2,接著藉由RTA的高溫回火後於光激螢光系統下觀察實驗結果。而量子點的實驗以濺鍍系統搭配RTA去研究量子點材料在QDI後對於能隙改變的影響。
使用本實驗室的分子束磊晶(MBE)成長三個對稱性量子井的In0.53Ga0.47As/In0.53Ga0.26Al0.21As結構,當我們使用ICP-RIE離子轟擊五分鐘且濺鍍上SiO2於回火800℃一分鐘後可以得到149nm的藍移量波段為(0.869eV),接著我們使用XRD fitting計算出藍移波長為0.858eV也驗證模擬與實驗是相近符合; 在同製程步驟下當我們增加ICP-RIE離子轟擊時間為七分鐘時便可以得到大量的藍移量達到269nm。藉由MBE成長InAs/In0.52Al0.48As, In0.95Al0.05As/In0.52Al0.48As,
In0.95Ga0.05As/In0.52Al0.48As量子點結構再濺鍍SiO2且回火後便可以發現含有Ga成份的量子點在高溫下會有較大的藍移量;在回火800℃時有282 nm的藍移量;當我們用濕蝕刻減少覆蓋層的厚度於回火800℃後我們得到的藍移量達到了366nm。藉由此實驗我們可以從材料與技術著手而達到光積體化電路。
Abstract

We have applied PID and IFVP techniques to modify semiconductor bandgap in quantum well and quantum dot to achieve quantum well intermixing (QWI) and quantum dot intermixing (QDI). In quantum well intermixing experiment, we combine inductively coupled plasma reactive ion etching (ICP-RIE) and sputtering 300nm SiO2 to induce defects. And then, after high temperature annealing by RTA, we observed the results by using PL measurement. The samples used in this study were grown by molecular beam epitaxy(MBE) and consists of triple In0.53Ga0.47As/In0.53Ga0.26Al0.21As quantum wells. We used Ar+ bombardment on samples by ICP-RIE for 5 minutes, and then sputtered a 300nm SiO2 capping layer upon the samples. Finally the sample was annealed at 800℃ for 1 minutes. After the process, we got 150nm blue-shift (1575~1425nm) by measurement PL spectrum and applied XRD fitting to simulate 140nm blue-shift (1580~1440nm).On the same process step, we increased ICP-RIE bombardment time to 7 minutes thus we observed largest 269nm blue-shift from PL spectrum.
InAs/In0.52Al0.48As,In0.95Al0.05As/In0.52Al0.48As,and In0.95Ga0.05As/In0.52Al0.48As quantum dot structures were grown by MBE. In0.95Ga0.05As/In0.52Al0.48As quantum dot structure has larger blue-shift by sputtering 300nm SiO2 and annealing at high temperature by RTA. We got 282nm blue-shift annealing at 800℃ for In0.95Ga0.05As/In0.52Al0.48As quantum dot structure. Furthermore, we got largest 366nm blue-shift when we etched the thickness of capping layer and annealed at 800℃.
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感應式耦合電漿離子蝕刻與量子井混合 5
1-2-3應用濺鍍製程於量子井混合 7
1-2-4應用濺鍍製程於量子點混………………………………..10

第二章 實驗原理與儀器架構 12
2-1 感應式耦合電漿反應性離子蝕刻 ( ICP-RIE )………………12
2-2 濺鍍 ( Sputtering ) 14
2-3 快速高溫回火 ( RTA ) 17
2-4原子力顯微鏡 ( atomic force microscope: AFM ) 18
2-5光激螢光 ( PL ) 20

第三章 量子井、量子點混合製程步驟 23
3-1 量子井混合製程步驟 23
3-2 量子點混合製程步驟 26

第四章 實驗結果與分析 28
4-1 In0.53Ga0.47As/ In0.53Ga0.26Al0.21As 量子井結構........................28
4-1-1高溫回火對量子井混合的影響........................................30
4-1-2結合ICP-RIE與濺鍍製程對量子井混合的影響............32
4-1-3模擬量子井混合的能帶變化…………………………....38
4-2 InxGayAl1-x-yAs/ In0.53Al0.47As量子點結構 ..45
4-2-1-1 InAs/ In0.53Al0.47As量子點結構.....................................45
4-2-1-2比較濺鍍製程與PECVD對於量子點混合的影響…..47
4-2-2-1 In0.95Al0.05As/ In0.53Al0.47As量子點結構.........................51
4-2-2-2比較濺鍍製程與PECVD對於量子點混合的影響.......53
4-2-3-1 In0.95Ga0.05As/ In0.53Al0.47As量子點結構........................57
4-2-3-2比較濺鍍製程與PECVD對於量子點混合的影響.......59
4-3 In0.95Ga0.05As/ In0.53Al0.47As量子點雷射結構 .........................71
4-3-1不同厚度應用於濺鍍製程對於量子點混合的影響.........73

第五章 結論……………………………………………………………83

第六章 參考文獻………………………………………………………84







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……………………4
圖1-2 不同 ICP 蝕刻時間下, PL 峰值的變化……………………..6
圖1-3 增加 ICP power 蝕刻下, PL 峰值與半高寬的變化………...6
圖1-4 GaAs-AlGaAs (●) 及 GaInP-AlGaInP (■) 經過 QWI 後,
回火溫度對藍移量的關係……………………………………..8
圖1-5 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………………………9
圖1-6 (a)原始樣本 (b)回火於750℃ (c)回火於850℃的TEM圖
(d)不同回火溫度對於藍移量的關係圖……………………...10
圖1-7 濺鍍前後對於不同溫度的藍移量比較圖……………………11


第二章
圖2-1 輝光放電時,電極間主要明暗區域示意圖…………………..13
圖2-2 感應式耦合電漿的機制中的簡易圖示………………………13
圖2-3(a)氣體離子濺擊靶材表面示意圖………………………………15
圖2-3(b)自行組裝之濺鍍系統儀器架構簡圖…………………………15
圖2-4 格隙及空位擴散機制示意圖…………………………………17
圖2-5 AFM 工作原理示意圖……………………………………….19
圖2-6 價電帶和導電帶之間的載子躍遷示意圖……………………21
圖2-7 缺陷能階造成非輻射複合……………………………………21
圖2-8 光激螢光系統架設示意圖…………………………………….22
第三章
圖 3-1 量子井簡易製程示意圖……………………………………...25
圖 3-2 量子點簡易製程示意圖……………………………………...27


第四章
圖4-1 製程前,In0.53Ga0.47As/ In0.53Ga0.26Al0.21As結構之發光波長及
半高寬…………………………………………………………29
圖4-2 回火In0.53Ga0.47As/ In0.53Ga0.26Al0.21As結構於不同溫度對於發
光波長及發光強度的影響……………………………………30
圖4-3 In0.53Ga0.47As/ In0.53Ga0.26Al0.21As結構於不同ICP-RIE蝕刻時
間對於發光波長及發光強度的影響…………………………32
圖4-4 In0.53Ga0.47As/ In0.53Ga0.26Al0.21As結構經過QWI製程後
( ICP-RIE蝕刻時間 = 3 min ) 的PL光譜圖………………..34
圖4-5 In0.53Ga0.47As/ In0.53Ga0.26Al0.21As結構經過QWI製程後
( ICP-RIE蝕刻時間 = 5 min ) 的PL光譜圖………………..34
圖4-6 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………………...35
圖4-7 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……………………..37
圖4-8 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……………………..37
圖4-9 原始樣本DCXRD的反晶格繞射圖………………………….39
圖4-10 ICP-RIE蝕刻五分鐘樣本的DCXRD反晶格繞射圖…………39

圖4-11(a)量子井混合前後能帶示意圖………………………………..40
圖4-11(b)模擬方法示意圖……………………………………………..40
圖4-12 In0.53Ga0.47As/ In0.53Ga0.26Al0.21As原始樣本模擬能帶圖……42
圖4-13 QWI製程後回火於700℃樣本模擬能帶圖………………...42
圖4-14 QWI製程後回火於750℃樣本模擬能帶圖………………...43
圖4-15 QWI製程後回火於800℃樣本模擬能帶圖………………..43
圖4-16 AFM觀測下的InAs量子點圖形及原始樣本PL圖譜……46
圖4-17 InAs/In0.52Al0.48As結構經過PECVD QDI製程後的
PL圖譜……………………………………………………….48
圖4-18 InAs/In0.52Al0.48As結構經過濺鍍機制QDI製程後的
PL圖譜……………………………………………………….48
圖4-19 不同QDI製程機制對InAs/In0.52Al0.48As結構之藍移量
的影響………………………………………………………..50
圖4-20 不同QDI製程機制對InAs/In0.52Al0.48As結構之半高寬
的影響………………………………………………………..50
圖4-21 AFM觀測下的In0.95Al0.05As量子點圖形及原始樣本
PL圖譜……………………………………………………….52
圖4-22 In0.95Al0.05As/In0.52Al0.48As結構經過PECVD QDI製程後的PL
圖譜…………………………………………………………..54
圖4-23 In0.95Al0.05As/In0.52Al0.48As結構經過濺鍍機制QDI
製程後的PL圖譜…………………………………………...54.
圖4-24 不同QDI製程機制對In0.95Al0.05As/In0.52Al0.48As結構
之藍移量的影響……………………………………………..56
圖4-25 不同QDI製程機制對In0.95Al0.05As/In0.52Al0.48As結構
之半高寬的影響……………………………………………..56
圖4-26 AFM觀測下的In0.95Ga0.05As量子點圖形及原始樣本
PL圖譜……………………………………………………….58
圖4-27 In0.95 Ga0.05As /In0.52Al0.48As結構經過PECVD QDI製程後
的PL圖譜……………………………………………………60
圖4-28 In0.95 Ga0.05As /In0.52Al0.48As結構經過濺鍍機制QDI製程後
的PL圖譜……………………………………………………60
圖4-29 不同QDI製程機制對In0.95Ga0.05As/In0.52Al0.48As結構之藍移
量的影響……………………………………………………..62
圖4-30 不同QDI製程機制對In0.95Ga0.05As/In0.52Al0.48As結構
之半高寬的影響……………………………………………..62
圖4-31 In0.95 Ga0.05As /In0.52Al0.48As結構經過蝕刻與濺鍍機制
的QDI製程PL圖譜..………………………………………63
圖4-32 光激螢光極化量測示意圖…………………………………..64
圖4-33 In0.95Ga0.05As QDs 的極化PL……………………………….65
圖4-34 In0.95Ga0.05As QDs 經濺鍍與回火700℃ 的極化PL………65
圖4-35 In0.95Ga0.05As QDs 經濺鍍與回火750℃ 的極化PL……….66
圖4-36 In0.95Ga0.05As QDs經濺鍍與回火800℃的極化PL…………66
圖4-37 不同製程機制對In0.95Ga0.05As/In0.52Al0.48As結構
之藍移量的影響……………………………………………..68
圖4-38(a) PECVD機制對不同量子點結構之藍移量的影響………...69
圖4-38(b)濺鍍機制對不同量子點結構之藍移量的影響……………..70
圖4-39 In0.95Ga0.05As量子點原始樣本PL圖譜……………………..71
圖4-40 In0.95Ga0.05As量子點經過量子點混合製程後PL圖譜…….74
圖4-41 In0.95Ga0.05As量子點蝕刻所剩1.2μm的P層經過量子點混製
程後PL圖譜…………………………………………………74
圖4-42 In0.95Ga0.05As量子點蝕刻所剩1.0μm的P層經過量子點混製
程後PL圖譜…………………………………………………76
圖4-43 In0.95Ga0.05As量子點蝕刻所剩0.8μm的P層經過量子點混製
程後PL圖譜…………………………………………………76
圖4-44 In0.95Ga0.05As量子點蝕刻所剩0.6μm的P層經過量子點混製
程後PL圖譜…………………………………………………78
圖4-45 In0.95Ga0.05As量子點蝕刻所剩0.4μm的P層經過量子點混製
程後PL圖譜…………………………………………………78
圖4-46 In0.95Ga0.05As量子點蝕刻所剩0.4μm的P層經過PECVD
製程後PL圖譜………………………………………………79
圖4-47 In0.95Ga0.05As量子點蝕刻所剩0.2μm的P層經過量子點混製
程後PL圖譜…………………………………………………80
圖4-48 製程於不同厚度的樣本後對不同回火溫度的藍移量變化..82














表目錄

第二章
表2-1 濺鍍系統各部位元件功能及工作範圍………………………16


第三章
表3-1 ICP-RIE乾蝕刻各項實驗參數設定值……………………….24
表3-2 濺鍍製程各項實驗參數設定值………………………………24


第四章
表4-1 In0.53Ga0.47As/ In0.53Ga0.26Al0.21As...............................................29
表4-2 In0.53Ga0.47As/ In0.53Ga0.26Al0.21As 回火後的半高寬比較…….31
表4-3 經過量子混合機製於不同回火溫度後的模擬與PL量測…...41
表4-4 InAs/In0.52Al0.48As 結構……………………………………….46
表4-5 In0.95Al0.05As/In0.52Al0.48As 結構……………………………....52
表4-6 In0.95Ga0.05As/In0.52Al0.48As 結構……………………………...58
表4-7 In0.95Ga0.05As QDs 製程前後TE與TM的比值與波長............67
參考文獻

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國立中山大學光電工程研究所碩士論文,2006年.
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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