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系統識別號 U0002-0202200715042700
中文論文名稱 Ⅱ-Ⅵ族半導體奈米結構之研究
英文論文名稱 Study for Nano Structure of II-VI Semiconductor
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 物理學系碩士班
系所名稱(英) Department of Physics
學年度 95
學期 1
出版年 96
研究生中文姓名 陳玉豐
研究生英文姓名 Yu-Feng,Chen
學號 692180473
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2007-01-15
論文頁數 144頁
口試委員 指導教授-鄭振益
中文關鍵字 量子環  奈米洞  量子線  高寬比較大的量子點  以不同方法生長量子點  硒化鎘  硒硫鎘  硒化鋅 
英文關鍵字 Self-assembling Quantum Dot  Hot wall Epitaxy  CdSSe/CdSe/ZnSe  Multi Quantum Dots  Quantum Ring  Quantum Wire  Nano Hole 
學科別分類 學科別自然科學物理
中文摘要 本實驗是研究II-VI 族半導體奈米結構(Nano Structure),嘗試在GaAs基板上以硒化鎘/硒硫鎘/硒化鋅(CdSe/CdSSe/ZnSe)生長多種不同奈米結構,包含:量子環(quantum ring)、奈米洞(nano hole)、量子線(quantum wire)、高寬比較大的量子點(quantum dot),及以不同方法生長量子點(quantum dot)等等。
首先先洗滌基板使基板上出現坑洞與凹槽,藉由量子點圍繞與聚集的特性長出量子環與量子線,再嘗試以不同材料或不同方式來生長,例如我們嘗試覆蓋方式來生長量子環,研究其生長的特性,接著嘗試生長量子洞,並且找出奈米洞的深度與寬度與生長方式或熱處理方式之間的關係,找出形成奈米洞的成因,並進一步控制其大小,同時以不同材料來生長不同形式的奈米洞。再以不同的熱處理方式來使基板上生長出半高寬特別小的量子棒,進而瞭解其物理特性與成因,同時以階段式生長模式來生長較優質量子點,並控制量子點的高度、密度與高寬比。
英文摘要 This thesis is devoted to study the properties of Ⅱ-Ⅵ semiconductor Nano structure. We attempt to develop different nano structures based on GaAs substrate with CdSe/CdSSe/ZnSe, including: quantum ring, nano hole, quantum wire, different size quantum dot on the same substrate , and various ways to grow quantum dot. First we rinse the substrate in order to cause flutes and fillisters, grow quantum ring and quantum wire based on the properties of surrounding and assembling of quantum dot and then try to grow them with different materials and ways. For example, we grow quantum ring with its quality of covering, study its properties of growing ; find out the nano hole, and study the relationships between depth and width of nano hole and the ways of growing and heat treatment and then find out the causes of nano hole growing and then control its size and finally grow nano hole with different materials and ways. Furthermore, we attempt to grow quantum sticks with extremely tiny sizes based from substrates with different ways of heat treatment in order to understand its physical properties and causes. At the same time, we attempt to grow quantum dot with better qualities, with gradation models, and then control the height, density and the rate of height and width.
論文目次 序論………………………………………………………………………1
一. 奈米結構簡介
1-1磊晶模式介紹………………………………………………………4
1-2自聚性量子點………………………………………………………6
1-3量子線………………………………………………………………8
1-4量子環………………………………………………………………9
1-5奈米洞………………………………………………………………11
1-6不同SiZe的量子點(量子棒)……………………………………13
二 .量子理論簡述
2-1量子侷限效應………………………………………………………14
2-2量子點之能態結構及波函數………………………………………17
2-3量子點的能態密度…………………………………………………22
2-4薄膜應力……………………………………………………………26
2-5退火…………………………………………………………………29
三 .實驗裝置
3-1熱壁式磊晶系統(Hot Wall Epitaxy)…………………………31
3-2掃描式電子顯微鏡(SEM)………………………………………36
3-3原子力顯微鏡(AFM)……………………………………………38
四 . 實驗結果與分析
4-0砷化鎵(GaAs)基板磊晶前的備置與表面處理…………………41
4-1砷化鎵(GaAs)基板洗滌條件測試………………………………42
4-2量子環的生長機制…………………………………………………60
4-3不同size的量子點生長機制……………………………………84
4-4奈米洞的生長機制…………………………………………………94
4-5階段式生長CdSe 量子點…………………………………………115
4-6量子線的生長機制………………………………………………128
五 . 結論……………………………………………………………139
六 . 參考文獻………………………………………………………142
圖1-1 磊晶成長模式……………………………………………………5
圖1-2 量子點之AFM 影像…………………………………………… 7
圖1-3 穿透式電子顯微鏡(TEM)圖…………………………………7
圖1-4 在奈米洞上面生長量子點的生長示意圖……………………12
圖2-1 激子在不同侷限效應結構中的自由度………………………15
圖2-2 以Stranski- Kranstanov 成長模式成長量子點………… 16
圖2-3 為一般半導體塊材之能帶…………………………….……19
圖2-4 量子點半導體內單電子或電洞之能階……………… 19
圖2-5 量子點內電子-電洞之基態能量與粒徑R 之關係………...21
圖2-6 不同維度下之能態密度與能量關係圖………………………25
圖 2-7 薄膜和底材的熱應力關係圖…………………………………28
圖 2-8 邊際差排(a)和螺旋差排(b)的結構圖………………………30
圖 2-9 溫度和硬度(應力)之關係圖…………………………………30
圖 3-1 渦輪分子邦浦結構示意圖……………………………………32
圖 3-2 B-A 式離子真空計結構示意圖………………………………33
圖3-3 熱壁式磊晶生長系統(a)內部示意圖(b)照片……………… 34
圖3-4 SEM 系統……………………………………………………… 37
圖3-5 SEM 系統示意圖……………………………………………… 37
圖3-6 原子力顯微鏡 淡江大學化學系 AFM 系統…………………39
圖3-7 師大原子力顯微鏡……………………………………………40
圖3-8 原子力顯微鏡示意圖…………………………………………40
圖4-1-1(a) ~ 圖4-1-1(j)基板搖晃洗滌不同硫酸濃度烘烤前後
AFM 圖……………………………………………………………43~46
圖4-1-1(k) 搖晃洗滌方式改變硫酸濃度表面起伏曲線圖………46
圖4-1-1(a) ~ 圖4-1-1(j)基板平放搖晃洗滌不同硫酸濃度烘烤前後
AFM 圖……………………………………………………………48~51
圖4-1-2(k) 平放洗滌方式改變硫酸濃度表面起伏曲線圖……… 51
圖4-1-3(a) ~ 4-1-3(e)改變洗滌基板時間搖晃洗滌AFM 圖…52~54
圖4-1-3(f) 搖晃洗滌方式改變洗滌時間表面起伏曲線圖……… 54
圖4-1-4(a)~4-1-4(e) 改變洗滌基板時間平放洗滌AFM 圖……56~57
圖4-1-4(f) 平放洗滌改變洗滌時間表面起伏曲線圖………………58
圖4-1-4(g) 改變硫酸濃度表面起伏曲線圖…………………………58
圖4-1-4(h) 改變洗滌時間表面起伏曲線圖…………………………59
圖4-2-1 覆蓋式量子環AFM 圖……………………………………… 60
圖4-2-1(a)~ 圖4-2-1(b)量子點停留位置示意圖………………… 61
圖4-2-1(c)~圖4-2-1(g)CdSSe 量子點在坑洞上聚集成量子環
AFM 圖………………………………………………………………62
圖4-2-2(a)~圖4-2-2(f)CdSSe 量子點隨成熟時間結合成量子環
AFM 圖…………………………………………………………64~65
圖4-2-3(a) 覆蓋式量子環生長示意圖……………………………67
圖4-2-3(b)~圖4-2-3(f)ZnSe 薄膜不同成熟時間AFM 圖……67~68
圖4-2-3(g)~圖4-2-3(j)ZnSe 薄膜生長完後降溫停留不同時間
AFM 圖……………………………………………………………68
圖4-2-3(k)~圖4-2-3(m)ZnSe 薄膜生長完後不同降溫時間
AFM 圖……………………………………………………………69
圖4-2-4(a)~圖4-2-4(h) CdSe 4ML 覆蓋不同厚度ZnSe的AFM
圖……………………………………………………………71~72
圖4-2-4(i)~圖4-2-4(m) CdSe 4ML 覆蓋不同厚度ZnSe 熱烘烤之後
的AFM 圖………………………………………………………73
圖4-2-4(n)~圖4-2-4(t) CdSe 4ML 覆蓋不同厚度ZnSe
的AFM 圖……………………………………………………74~75
圖4-2-4(u)~圖4-2-4(y) CdSe 4ML 覆蓋不同厚度ZnSe 熱烘烤之後
的AFM 圖………………………………………………………76
圖4-2-5(a)~圖4-2-5(f)CdSe 6ML 改變覆蓋厚度固定烘烤時間
AFM 圖……………………………………………………………78
圖4-2-5(g)~圖4-2-5(l)CdSe 3ML 在ZnSe 300oC 下熱退火不同
時間AFM 圖………………………………………………………81
圖4-2-5 覆蓋式量子環形成示意圖…………………………………82
圖4-2-5(m)~圖4-2-5(o) CdSe 6ML 在ZnSe 400oC下不同熱退火時間
AFM圖…………………………………………………………… 83
圖4-3-2(a)~圖4-3-2(a) CdSe 3ML在 ZnSe 300oC 不同停留時間與
停留後持溫AFM圖…………………………………………………88
圖4-3-3(a)~圖4-3-3(d) CdSe 4ML覆蓋 ZnSe 12.5nm不同持溫時間的
AFM圖……………………………………………………………90~91
圖4-3-3(e)~圖4-3-3(h) CdSe 6ML覆蓋 ZnSe 5nm不同持溫時間的AFM
圖…………………………………………………………… 93~94
圖4-4-1(a)~圖4-4-1(f)不同厚度ZnSe 降溫到130oC直接升回230oC
AFM 圖與側面剖圖……………………………………………98~100
圖4-4-1(g)~圖4-4-1(i) 奈米洞寬度、深度、兩點直徑比與生長厚
度關係圖………………………………………………… 101~102
圖4-4-1(j)~圖4-4-1(o)ZnSe 50nm與125nm降到130oC~150oC再升回
溫度AFM圖………………………………………………………105
圖4-4-1(p) 溫度和硬度(應力)之關係圖………………………… 106
圖4-4-2(a)~圖4-4-2(g)CdSe 10 MLs兩階段生長奈米洞AFM
圖…………………………………………………………109~110
圖4-4-2(h)~圖4-4-2(i) CdSe 10 MLs 兩階段生長奈米洞深度、
寬度與成熟時間關係圖……………………………………110~111
圖4-4-2(j)~圖4-4-2(n) CdSe 10 MLs四階段生長奈米洞AFM圖…113
圖4-4-2(o)~圖4-4-2(p) CdSe 10 MLs 四階段生長奈米洞深度、
寬度與成熟時間關係圖…………………………………………114
圖4-4-2(q) CdSe 階段式生長CdSe 奈米洞示意圖………………115
圖4-5-1(a)~圖4-5-1(g) CdSe 6MLs兩階段生長量子點AFM圖… 117
圖4-5-2(a)~圖4-5-2(g) CdSe 6MLs三階段生長量子點AFM
圖………………………………………………………… 118~119
圖4-5-2(h)~圖4-5-2(k)6MLs 階段式生長量子點平均高度、
半高寬、高寬比、密度與成熟時間關係圖……………… 111~112
圖4-5-3(a)~圖4-5-3(f) CdSe 4MLs 兩階段生長量子點AFM
圖………………………………………………………… 124~125
圖4-5-3(g)~圖4-5-3(j) CdSe 4MLs 階段式生長量子點平均高度、
半高寬、高寬比、密度與成熟時間關係圖…………… 125~127
圖4-6-1(a)~圖4-6-1(d) CdSSe 量子線SEM 圖…………………130
圖4-6-1(e)~圖4-6-1(g) CdSSe 量子線SEM 圖…………………132
圖4-6-2(a)~圖4-6-2(d)ZnSe 量子線SEM 圖………………136~137
圖4-6-2(e)~圖4-6-2(f)ZnSe 50nm + 4MLs CdSSe 量子線SEM
圖………………………………………………………………138
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論文使用權限
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