複合半導體量子點的光學性質

Abstract

本論文主要利用光激螢光與光調制實驗並搭配相關理論模型計算，對三組不同生長變因的複合半導體量子點系統做光學性質與成長特性上的分析與探討。 第一部份討論InAs/GaAs 量子點之載子分布與光學特性。螢光譜圖主要是由InAs量子點內四組能階躍遷所貢獻，且這些能階都幾乎擁有約70 meV的相同能量間距，當溫度增加時，量子點內基態與激發態所對應譜線的能量位置、半高寬及螢光強度表現出不同的變溫效應，在溫度超過150 K時，半高寬有明顯窄化的情況，此現象不同於一般在量子井或塊材中所觀察到的溫度展寬持續增加，本文以載子重新分布的機制搭配能階間譜線相對強度及能量位置額外紅移等的比較，對此現象提出解釋。在光調制譜圖方面，主要是來自於InAs濕層(wetting layer)及GaAs的貢獻，由此兩組光譜訊號在各溫度下的相對強度變化可以推論出其源自於兩種不同的光調制機制。經由光激螢光及光調制譜圖的互相驗證分析下，顯示在此量子點系統中，量子點內有四個能級是處於載子佔據的狀態，而較高能量的濕層基態是處於空能階的情況，以致於兩者所對應的譜線在兩種不同原理機制的光譜方法中分別出現。 第二部份探討基板傾斜對InAs/GaAs 量子點光性與成長特性之影響。藉由變功率螢光光譜的確認，樣品的螢光譜線分別源自於量子點中的基態與激發態之能階躍遷。無論是從螢光光譜的分析或原子力顯微鏡的觀測，都指向一個共同的結論，即在相同的磊晶厚度下，量子點的尺寸會隨著基板傾斜角度的增加而變小，且其密度也會隨之變化。這些現象主要是因為應力條件的改變，使得量子點成長所需要的臨界厚度會隨著基板傾斜角度增加而變厚。載子在大小與密度不同的量子點群環境中表現出相異的溫度效應可經由變溫螢光光譜加以分析。 第三部份討論兩種相異且共存之ZnCdSe/ZnSe量子點及其光學性質。未達臨界厚度的樣品譜圖是由兩條不同螢光強度、能量的譜線所組成，而超過臨界厚度的樣品則只有一條對稱的譜線，這三條譜線的譜峰能量及半高寬隨溫度有相似的變化，由其變溫效應可推論出這些譜線都源自於三維侷限的量子點能階躍遷，與一般量子井的行為有所不同。另外，當激發功率密度降低達80倍時，接近臨界厚度樣品的兩條譜線之強度比幾乎不隨之改變，顯示兩條譜線源自兩類不同大小與密度的量子點群，量子點的密度比對應於譜線的強度比。這兩種量子點的成長模式有所不同。當磊晶遠超過臨界厚度時，僅存的一條對稱譜線顯示出當磊晶厚度由接近到超過臨界厚度的過程中，兩類量子點的相對數量產生了變化，顯示磊晶厚度的多寡對這兩種量子點成長模式的影響程度有明顯不同。載子在這兩類量子點中的熱活化側向轉移過程可藉由這些譜線強度的變溫效應加以分析與探討。