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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:鄭州傑
論文名稱:Si/Ge/SiGe奈米結構的光學特性
論文名稱(外文):Optical properties of Si/Ge/SiGe nanolaminate
指導教授:李孟恩
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄師範大學
系所名稱:物理學系
學門:自然科學學門
學類:物理學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:49
中文關鍵詞:矽鍺奈米結構光學特性
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本實驗主要是使用摻鈦藍寶石雷射(Ti:Sapphire)作為激發光源,利用單光子系統(TCSPC),對Si/Ge/SiGe奈米結構的樣品進行光致螢光光譜和時間解析螢光光譜之量測,藉由改變溫度、激發之功率等條件來探討樣品之光學特性。
從實驗中發現,樣品發光峰值主要有四處,分別為0.844 eV、1.035 eV、1.099 eV和1.137 eV。在矽鍺層上成長矽、鍺奈米結構的樣品相較於未成長矽、鍺奈米結構的樣品多出0.844 eV的發光峰值。0.844 eV主要歸因於成長在矽鍺上的鍺薄膜所導致的,藉由fitky軟體擬合可以發現峰值是由0.842 eV和0.865 eV所組成的,而造成這個原因主要是因為鍺薄膜與矽鍺層之間晶格不匹配,導致應變產生使其價電帶產生分裂為重電洞(heavy hole)和輕電洞(light hole);而1.035 eV、1.099 eV和1.137 eV分別為矽造成Si-TO+OΓ、Si-TO和Si-TA。從變溫光致螢光光譜中可以發現,螢光強度會隨著溫度的升高而下降,且螢光的峰值會隨著溫度的升高而有紅移的現象產生。並且藉由內部量子效率的計算,發現在低溫時,其發光效率較高溫時高出大約10倍,顯示出溫度對樣品的發光效率有著相當大的影響,藉由在低溫下量測光致螢光光譜,以衰減函數對Si-TO做擬合,擬合後Si-TO峰值的生命週期為1.1552 ns。

目錄
致謝..............................................................i
摘要.............................................................ii
第一章 導論.......................................................1
1.1前言....................................................1
1.2矽鍺(SiGe)..............................................2
1.3矽鍺的應用..............................................4
1.4研究動機................................................5
1.5相關文獻................................................5
第二章 基本原理介紹..............................................10
2.1光致螢光光譜...........................................10
2.2時間解析螢光光譜.......................................10
2.3導電帶載子非復合之能量釋放.............................11
2.4電子跟電洞復合之能量釋放...............................12
第三章 實驗原理與光路架設........................................15
3.1實驗光路與架設.........................................15
3.2摻鈦藍寶石雷射.........................................16
3.3 TP-200B Tripler原理與架構.............................17
3.4 TCSPC系統簡介.........................................21
第四章 實驗結果..................................................27
4.1 樣品介紹..............................................27
4.2 光致螢光光譜..........................................27
4.3時間解析螢光光譜.......................................38
第五章 結論......................................................46
參考文獻..........................................................47


















圖次
圖1.1 Si1-xGex之晶格結構圖...........................................3
圖1.2 矽鍺成長於矽基板上產生錯位.................................3
圖1.3 矽薄膜受到矽鍺層之拉伸.......................................4
圖2.1 載子在半導體內躍遷示意圖....................................11
圖2.2 載子之複合機制..............................................13
圖3.1 實驗光路圖..................................................16
圖3.2 雷射脈衝寬度與頻率示意圖....................................16
圖3.3 Tripler裝置內部光路圖......................................17
圖3.4 雷射經非線性晶體產生倍頻示意圖..............................17
圖3.5 LBO非線性晶體反射率曲線圖..................................18
圖3.6 BBO非線性晶體反射率曲線圖..................................18
圖3.7 SHG晶體二倍頻示意圖........................................19
圖3.8 Time Plate示意圖...........................................20
圖3.9 THG晶體三倍頻示意圖........................................20
圖3.10 PicoHarp 300裝置圖........................................21
圖3.11 TCSPC每一個循環記錄到一個光子的機率示意圖.................22
圖3.12 多個循環訊號累加成座標圖的示意圖...........................23
圖3.13 光子計數偵測器示意圖.....................................25
圖3.14 Delay box裝置示意圖......................................26
圖4.1 樣品結構圖..................................................27
圖4.2 Si/Ge/SiGe樣品在14 K之光致螢光光譜圖........................28
圖4.3 Si/Ge/SiGe樣品在14 K時0.844 eV峰值之光致螢光光譜擬合圖......29
圖4.4 應變導致能帶分裂示意圖......................................29
圖4.5 Si-TO和Si-TO+OΓ峰值在14 K變功率之光致螢光光譜圖.............30
圖4.6 1.099 eV 之功率對螢光積分強度作圖...........................31
圖4.7 0.844 eV 之變功率光致螢光光譜圖.............................31
圖4.8 0.844 eV 之功率對螢光積分強度作圖...........................32
圖4.9 Si/Ge/SiGe激發光功率230 mW在14 K時0.844 eV峰值之PL擬合圖....32
圖4.10 Si/Ge/SiGe激發光功率189 mW在14 K時0.844 eV峰值之PL擬合圖...33
圖4.11 Si/Ge/SiGe激發光功率118 mW在14 K時0.844 eV峰值之PL擬合圖...33
圖4.12 Si/Ge/SiGe激發光功率70 mW在14 K時0.844 eV峰值之PL擬合圖....34
圖4.13 Si/Ge/SiGe激發光功率22 mW在14 K時0.844 eV峰值之PL擬合圖....34
圖4.14 重電洞(0.842 eV)之功率對螢光積分強度作圖...................35
圖4.15 輕電洞(0.865 eV)之功率對螢光積分強度作圖...................35
圖4.16 Si-TO和Si-TO+OΓ峰值之變溫螢光光譜圖........................36
圖4.17 0.844 eV之變溫螢光光譜圖...................................37
圖4.18 0.844 eV之溫度對螢光積分強度作圖...........................37
圖4.19 Si-TO在14 K不同波長下之時間解析螢光光譜....................39
圖4.20 光子能量1.0896 eV之擬合圖..................................39
圖4.21 光子能量1.0944 eV之擬合圖..................................40
圖4.22 光子能量1.0993 eV之擬合圖..................................40
圖4.23 光子能量1.1042 eV之擬合圖..................................41
圖4.24 光子能量1.1091 eV之擬合圖..................................41
圖4.25 Si-TO在14 K不同光子能量對生命週期之關係圖..................42
圖4.26 Si-TO峰值之IQE隨溫度變化關係圖.............................44
圖4.27 0.844 eV峰值之IQE隨溫度變化關係圖..........................45


表次
表1.1 矽鍺材料之應用...............................................5
表1.2 相關文獻.....................................................7
表4.1 fitky擬合結果..............................................34
表4.2 擬合後之生命週期.....................................................42
參考文獻
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