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系統識別號 U0002-1806200616155500
中文論文名稱 以熱壁式磊晶系統生長自聚性量子點之研究
英文論文名稱 Study for self-assembling quantum dots by hot wall epitaxy system
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 94
學期 2
出版年 95
研究生中文姓名 連加賢
研究生英文姓名 Jar-Shan Lan
電子信箱 692180523@s92.tku.edu.tw
學號 692180523
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2006-06-16
論文頁數 153頁
口試委員 指導教授-鄭振益
委員-唐建堯
委員-陸健榮
中文關鍵字 自聚性量子點  成熟期  熱處理 
英文關鍵字 Self-assembling Quantum Dot  mature period  Annealing 
學科別分類 學科別自然科學物理
中文摘要 本研究主要是在探討Ⅱ-Ⅵ族半導體自聚性量子點之成型特性。我們分別針對熱退火的溫度與時間來瞭解此兩項變因對量子點的影響,並找出最佳的量子點成型條件。
本實驗是以熱壁式磊晶系統來進行材料的磊晶生長;量子點的型成與成熟時間的長短有著密切的關係,成熟時間的掌控影響著量子點的高度、密度與大小。因此本論文主要目的是要製作出高密度、高品質、高發光效率的量子點結構,進而應用在白色發光二極體的研究。
英文摘要 This thesis is devoted to forming properties of Ⅱ-Ⅵ semiconductor self-assembling quantum dot. We study two factors which are annealing temperature and time respectively to realize how the two factors affect the forming of quantum dots. And then we try to find the best condition of self-assembling quantum dots.
Our samples were growth by Hot Wall Epitaxy(HWE). The relations between the forming of quantum dots and the mature period are very closely. It affect the height、density and diameter of our quantum dots. The main purpose of this thesis is to manufacture high density、high quality and high photoluminescence (PL) intensity quantum dots;and then apply to the study of white LED.
論文目次 目 錄
序論......................................................1
一、量子點簡介 5
1-1 前言 5
1-2 自聚性量子點 6
1-3 量子點的能階光譜 8
1-4 量子點的生長模式 10
1-5 覆蓋式量子點的光譜行為 13
1-6 小板與量子點介紹 17
1-7 小結 21
二、量子理論簡述 22
2-1量子侷限效應 22
2-2 量子點之能態結構及波函數 25
2-2-1 單質點之能帶結構 25
2-2-2 雙質點(paired states)之能帶結構... 28
2-3 量子點的能態密度 30
三、實驗裝置 34
3-1 熱壁式磊晶系統(Hot Wall Epitaxy) 34
3-2 光激發發光實驗系統 39
3-3 掃描式電子顯微鏡(SEM) 43
3-4 原子力顯微鏡(AFM) 45
3-5 X-Ray繞射分析 48
四、實驗結果與分析: 50
4-1 砷化鎵(GaAs)基板磊晶前的備置與表面處理 50
4-1-1 表面處理後的SEM照片 51
4-2 硒化鎘(CdSe)量子點的生長 53
4-2-1 固定成熟時間;改變生長磊晶秒數 54
4-2-2 固定磊晶生長時間;改變成熟時間 63
4-3 硒硫鎘(CdSSe)量子點的生長 70
4-3-1 磊晶前的基板表面清洗 70
4-3-2 硒(Se)與硫(S)的比例 75
4-3-3 以SEM測量硒化鋅(ZnSe)與硒硫鎘(CdSSe)生長速率 77
4-3-4 6秒(1ML)硒硫鎘量子點 80
4-3-5 12秒(2ML)硒硫鎘量子點 89
4-3-6 18秒(3ML)硒硫鎘量子點 98
4-3-7 24秒(4ML)硒硫鎘量子點 106
4-3-8 1ML∼4ML硒硫鎘量子點隨成熟期變化之比較 109
4-3-9 以硒化鋅覆蓋硒硫鎘量子的實驗 119
4-3-10 12秒硒硫鎘量子點之成熟期與PL關係 123
五、應用: 126
5-1 量子點的熱處理(annealing)與成熟期研究 126
5-1-1 硒硫鎘(CdSSe)量子點的製作與發光 127
5-1-2 樣品 1與樣品 2第二次熱處理 130
5-1-3 硒鎘鋅(ZnCdSe)量子點的製作與發光 140
六、裸露式量子點隨時間的改變 145
七、鍍2nm金膜的量子點 147
八、結論 148
九、參考文獻 150


圖表目錄
圖1- 1 量子點之AFM影像 7
圖1- 2 穿透式電子顯微鏡(TEM)圖 7
圖1- 3 InAs量子點能階躍遷示意圖 9
圖1- 4 InGaAs量子點的螢光光譜 9
圖1- 5 磊晶生長模式 11
圖1- 6 InAs量子點覆蓋0∼16ML GaAs之示意圖 13
圖1- 7 InAs量子點覆蓋0∼16ML GaAs之AFM影像圖 14
圖1- 8 InAs量子點覆蓋0∼16ML GaAs之PL光譜圖 16
圖1- 9 由HRTEM觀察到的CdSe/ZnSe量子點有兩種量子點結構 17
圖1- 10 在CdSe/ZnSe樣品中,由HRTEM觀察到大點與小點(扁平)結構 18
圖1- 11 小板與量子點的PL光譜 20
圖2- 1 激子在不同侷限效應結構中的自由度. .....................................................23
圖2- 2 以Stranski- Kranstanov成長模式成長量子點 24
圖2- 3 為一般半導體塊材之能帶 27
圖2- 4 量子點半導體內單電子或電洞之能階 27
圖2- 5 量子點內電子-電洞之基態能量與粒徑R之關係 29
圖2- 6 不同維度下之能態密度與能量關係圖 33
圖3- 1 渦輪分子邦浦結構示意圖...........................................................................35
圖3- 2 B-A式離子真空計結構示意圖 36
圖3- 3 熱壁式磊晶生長系統(a)內部示意圖(b)照片 37
圖3- 4 光激發發光光譜實驗裝置圖 42
圖3- 5 SEM系統 44
圖3- 6 SEM系統示意圖 44
圖3- 7 原子力顯微鏡 47
圖3- 8 原子力顯微鏡示意圖 47
圖3- 9 X-Ray繞射示意圖 49
圖4- 1 清洗丙酮、酒精後表面...............................................................................52
圖4- 2 洗混合液後的基板 52
圖4- 3 熱烘烤後的基板表面 52
圖4- 4 硒化鎘量子點生長示意圖 53
圖4- 5 樣品編號1(生長時間10秒=2ML) 58
圖4- 6 樣品編號2(生長時間20秒=4ML) 59
圖4- 7 樣品編號3(生長時間30秒=6ML) 60
圖4- 8 有無成熟期之量子點高度比較 61
圖4- 9 有無成熟期之量子點直徑比較 61
圖4- 10 有無成熟期之量子點密度比較 62
圖4- 11 有無成熟期之量子點高寬比值比較 62
圖4- 12 6ML 隨成熟期的變化 65
圖4- 13 (a) 量子點高度隨成熟期之變化 67
圖4- 14 (c) 量子點密度隨成熟期之變化 68
圖4- 15 ZnSe buffer layer示意圖 72
圖4- 16 樣品1∼7生長1000秒ZnSe buffer之AFM圖 74
圖4- 17 砷化鎵基板上生長3000秒硒硫鎘 76
圖4- 18 硒、硫比例的X-RAY繞射分析 76
圖4- 19 生長示意圖 77
圖4- 20 樣品測量厚度的擺設 78
圖4- 21 SEM觀察厚度之影像 79
圖4- 22 硒硫鎘量子點示意圖 80
圖4- 23 1ML硒硫鎘量子點隨成熟期變化之AFM影像 85
圖4- 24 1ML硒硫鎘量子點隨成熟期變化之分析 87
圖4- 25 1ML硒硫鎘量子點隨成熟期變化之示意圖 88
圖4- 26 2ML硒硫鎘量子點隨成熟期變化之AFM影像 94
圖4- 27 2ML硒硫鎘量子點隨成熟期變化之分析 96
圖4- 28 2ML硒硫鎘量子點隨成熟期變化之示意圖影像 97
圖4- 29 3ML硒硫鎘量子點隨成熟期變化之AFM影像 102
圖4- 30 3ML硒硫鎘量子點隨成熟期變化之分析 104
圖4- 31 3ML硒硫鎘量子點隨成熟期變化之示意圖 105
圖4- 32 4ML硒硫鎘量子點隨成熟期變化之AFM影像 113
圖4- 33 4ML硒硫鎘量子點隨成熟期變化之分析 115
圖4- 34 4ML硒硫鎘量子點隨成熟期變化之示意圖 116
圖4- 35 1ML∼4ML量子點隨成熟期變化之比較 118
圖4- 36 以硒化鋅覆蓋硒硫鎘量子點示意圖 119
圖4- 37 20秒量子點覆蓋0ML∼20ML硒化鋅之AFM影像 121
圖4- 38 20秒量子點覆蓋0ML∼20ML硒化鋅後之PL發光 122
圖4- 39 12秒量子點覆蓋20ML硒化鋅後之示意圖 123
圖4- 40 12秒量子點之成熟期與PL發光的關係 125
圖5- 1 溫度和硬度(應力)之關係圖......................................................................132
圖5- 2 量子點能隙與尺寸的關係 133
圖5- 3 樣品 1生長示意圖 134
圖5- 4 樣品 2生長示意圖 135
圖5- 5 樣品 1熱處理前室溫下的PL強度 136
圖5- 6 樣品 2熱處理前室溫下的PL強度 136
圖5- 7 樣品 1、樣品 2熱處理後150K之PL強度 137
圖5- 8 樣品 1、樣品 2熱處理後室溫之PL強度 137
圖5- 9 樣品 1第一次與第二次熱處理之比較 138
圖5- 10 樣品 2第一次與第二次熱處理之比較 139
圖5- 11 硒鎘鋅量子點 142
圖5- 12 樣品 3熱處理前在溫度150K的PL強度 143
圖5- 13 樣品 4熱處理前在溫度150K的PL強度 143
圖5- 14 sample3、 樣品 4熱處理後在溫度150K的PL強度 144
圖6- 1 量子點隨時間變化之AFM影像...............................................................145
圖7- 1 量子點鍍2nm金膜之SEM影像...............................................................147

表4- 1 固定成熟期,不同磊晶時間之三個樣品的生長條件 54
表4- 2 ITO基板清洗條件 72

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