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系統識別號 U0002-2301200818411900
中文論文名稱 Ⅱ-Ⅵ族半導體奈米結構生長機制之研究
英文論文名稱 Study For The Formation Mechanism In II-VI Semiconductor Nano Structure
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 96
學期 1
出版年 97
研究生中文姓名 李偉新
研究生英文姓名 Wei - Hsin Li
學號 694180398
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2008-01-17
論文頁數 119頁
口試委員 指導教授-鄭振益
委員-唐建堯
委員-陸建榮
中文關鍵字 Ⅱ-Ⅵ族半導體  量子點  奈米結構  熱壁式磊晶  硒化鎘  硒化鋅 
英文關鍵字 Ⅱ-Ⅵ semiconductor  Quantum Dots  nano structure  Hot Wall Epitaxy  CdSe  ZnSe 
學科別分類 學科別自然科學物理
中文摘要 本論文主要在研究II-VI族半導體量子點奈米結構的生長機制和在量子點上鍍金膜之穩定性觀測,實驗內容包含觀測V-W mode和S-K mode磊晶模式的奈米結構之聚集與結合機制;在量子點上鍍金膜比較不同厚度對量子點結構穩定性之影響;ZnSe奈米洞之研究;在實驗的過程中發現特殊結構簡介。
實驗方面以熱壁式磊晶系統製作樣品,在V-W mode以CdSe作為原料;S-K mode以ZnSe作為原料,然後藉由改變混合液比例、磊晶厚度、成熟期時間和控制基板溫度,來製作每個實驗的樣品。接著以AFM來觀測基板表面結構。
實驗結果發現V-W mode結構變化比S-K mode明顯;鍍金膜能有效穩定奈米結構約2個月;製作ZnSe奈米洞的過程。
英文摘要 This thesis is devoted to study the quantum dots’nano structure of formation mechanism in II-VI semiconductor and to observe the stability of QDs were capped by gold film.The experiment contains to observe nano structure of V-W mode and S-K mode epitaxy,and their mechanism of assembling and association;to cap the gold film on top of QDs and to compare with different thickness which affect structure stability of QDs;study of ZnSe nano hole; preview of special structure which is descried at experiment process.
About experiment,to grow sample by a hot wall epitaxy(HWE) system.Use CdSe for material in V-W mode;use ZnSe for material in S-K mode.Then by changing proportion of admixture liquid,epitaxy thickness,mature period and controlling temperature of substrate,to make sample of each experiment.Next by using atomic force microscopy (AFM) to observe structure of substrate surface.
The result of experiment descried that the structure of V-W mode epitaxy is more obvious than S-K mode epitaxy;capping gold film can stabilize nano structure effectively about 2 months;the process of making ZnSe nano hole.
論文目次 目 錄
序論………………………………………………………………………1
一、量子點簡介…………………………………………………………3
1-1 前言…………………………………………………………………3
1-2 自聚性量子點………………………………………………………5
1-3 磊晶模式介紹………………………………………………………6
二、量子理論簡介………………………………………………………9
2-1 量子侷限效應………………………………………………………9
2-2 弱侷限範疇……………………………………………………… 13
2-3 強侷限效應……………………………………………………… 14
2-4 薄膜應力………………………………………………………… 19
三、實驗儀器……………………………………………………………22
3-1 熱壁式磊晶系統………………………………………………… 22
3-2 掃描式電子顯微鏡……………………………………………… 27
3-3 原子力顯微鏡…………………………………………………… 29
四、實驗研究與討論……………………………………………………32
4-1 基本實驗………………………………………………………33
4-1.1 GaAs基板洗滌步驟……………………………………………34
4-1.2 CdSe和ZnSe生長速率……………………………………… 36
4-1.3 AFM探針掃描耗損之放大倍率………………………………38
4-2 量子點聚集與結合觀測…………………………………… 40
4-2.1 V-W mode CdSe量子點觀測………………………………… 42
4-2.2 S-K mode ZnSe量子點觀測………………………………… 56
4-3 覆蓋不同厚度金膜之V-W mode CdSe量子點穩定性……… 69
4-3.1 CdSe量子點生長條件測試1(改變磊晶厚度)…………… 70
4-3.2 CdSe量子點生長條件測試2(改變成熟期)……………… 73
4-3.3 覆蓋不同厚度金膜之V-W mode CdSe量子點穩定性……… 77
4-4 ZnSe奈米洞之研究………………………………………… 96
4-4.1 混合液(H20:H2O2:H2SO4=3:1:3)洗滌GaAs基板的表面… 98
4-4.2 測試20nm ZnSe薄膜是否能磊晶在GaAs奈米洞………… 100
4-4.3 在20nm ZnSe奈米洞中磊晶CdSe量子點…………………106
4-5 特殊結構……………………………………………………109
4-5.1 同心環狀結構………………………………………………110
4-5.2 網狀結構……………………………………………………112
4-5.3 量子環結構…………………………………………………114
五、結論………………………………………………………………116
六、參考文獻…………………………………………………………118

圖 表 目 錄
圖1-1 量子井、量子線及量子點與電子的物質波波長示意圖……4
圖1-3 磊晶模式…………………………………………………… 8
圖2-1.1 兩種半導體材料A、B所構成的單一量子位能井…………9
圖2-1.2 似氫原子能階激子束縛能…………………………………12
表2-2 Roots of the Bessel functions…………………………13
圖2-3.1 (a)強侷限下的激子能階情形,(b)為其吸收光譜………14
圖2-3.2 侷限位能由Kayanuma所發現,尺寸與能量關係…………16
圖2-3.3 Born-Oppenheimer approximation所得出的尺寸與能
量關係………………………………………………………17
圖2-3.4 有效質量近似下,不同材料中,能隙與尺寸大小關係…18
圖2-4 薄膜和底材的熱應力關係圖………………………………21
圖3-1.1 熱壁式磊晶系統……………………………………………23
圖3-1.2 渦輪分子邦浦結構示意圖…………………………………24
圖3-2.1 SEM系統 (a)儀器照片 (b)樣品腔 (c)金膜電鍍器……28
圖3-2.2 SEM系統示意圖……………………………………………28
圖3-3.1 原子力顯微鏡………………………………………………29
圖3-3.2 原子力顯微鏡構造示意圖…………………………………31
圖4-1.1 經GaAs基板洗滌步驟處理後的表面狀況……………… 35
圖4-1.2 CdSe和ZnSe的SEM截面圖……………………………37
圖4-1.3 探針耗損之點放大倍率與掃描次數關係圖………… 39
圖4-2 奈米結構之聚集與結合機制示意圖………………… 41
圖4-2.1.1 V-W mode CdSe量子點觀測之2D圖(a)………………43
圖4-2.1.2 V-W mode CdSe量子點觀測之2D圖(b)………………44
圖4-2.1.3 V-W mode CdSe量子點觀測之2D放大圖………………45
圖4-2.1.4 V-W mode CdSe量子點觀測之2D放大圖清析化………47
圖4-2.1.5 V-W mode CdSe量子點觀測之2D圖(c)……………… 48
圖4-2.1.6 V-W mode CdSe量子點觀測之剖面量測圖(a)……… 49
圖4-2.1.7 V-W mode CdSe量子點觀測之2D圖(d)……………… 50
圖4-2.1.8 V-W mode CdSe量子點觀測之剖面量測圖(b)……… 52
圖4-2.1.9 V-W mode CdSe量子點觀測之3D圖……………………53
圖4-2.1.10 V-W mode A點高度隨時間變化圖…………………… 54
圖4-2.1.11 V-W mode A點半高寬隨時間變化圖………………… 55
圖4-2.2.1 S-K mode ZnSe量子點觀測之2D圖(a)……………… 57
圖4-2.2.2 S-K mode ZnSe量子點觀測之2D圖(b)……………… 58
圖4-2.2.3 S-K mode ZnSe量子點觀測之2D放大圖…………… 59
圖4-2.2.4 S-K mode ZnSe量子點觀測之2D放大圖清析化…… 62
圖4-2.2.5 S-K mode ZnSe量子點觀測之2D圖(c)……………… 63
圖4-2.2.6 S-K mode ZnSe量子點觀測之剖面量測圖(a)………64
圖4-2.2.7 S-K mode ZnSe量子點觀測之剖面量測圖(b)………65
圖4-2.2.8 S-K mode ZnSe量子點觀測之3D圖…………………66
圖4-2.2.9 S-K mode A點高度隨時間變化圖…………………… 67
圖4-2.2.10 S-K mode A點半高寬隨時間變化圖…………………68
圖4-3.1.1 CdSe量子點生長條件測試1之2D和3D圖…………71
圖4-3.1.2 CdSe量子點生長條件測試1之高寬比比較圖………72
圖4-3.2.1 CdSe量子點生長條件測試2之2D圖………………74
圖4-3.2.2 CdSe量子點生長條件測試2之3D圖………………75
圖4-3.2.3 CdSe量子點生長條件測試2之高寬比比較圖………76
圖4-3.3.1 無覆蓋金膜的CdSe量子點之2D圖………………… 79
圖4-3.3.2 無覆蓋金膜的CdSe量子點之3D圖………………… 80
圖4-3.3.3 無覆蓋金膜的CdSe量子點之數據量測圖………… 81
圖4-3.3.4 覆蓋2nm金膜的CdSe量子點之2D圖……………… 83
圖4-3.3.5 覆蓋2nm金膜的CdSe量子點之3D圖……………… 84
圖4-3.3.6 覆蓋2nm金膜的CdSe量子點之數據量測圖……… 85
圖4-3.3.7 覆蓋4nm金膜的CdSe量子點之2D圖……………… 87
圖4-3.3.8 覆蓋4nm金膜的CdSe量子點之3D圖……………… 88
圖4-3.3.9 覆蓋4nm金膜的CdSe量子點之數據量測圖……… 89
圖4-3.3.10 覆蓋6nm金膜的CdSe量子點之2D圖…………………90
圖4-3.3.11 覆蓋6nm金膜的CdSe量子點之3D圖…………………91
圖4-3.3.12 覆蓋6nm金膜的CdSe量子點之數據量測圖…………93
圖4-3.3.13 覆蓋不同厚度金膜之V-W mode CdSe量子點3D圖……94
圖4-3.3.14 覆蓋不同厚度金膜之V-W mode CdSe量子點量測圖…95
圖4-4 ZnSe奈米洞之研究示意圖……………………………97
圖4-4.1 測試混合液(H2O:H2O2:H2SO4 =3:1:3)之GaAs基板…99
圖4-4.2.1 20nm ZnSe奈米洞測試之2D圖………………………102
圖4-4.2.2 20nm ZnSe奈米洞測試之3D圖………………………103
圖4-4.2.3 ZnSe奈米洞示意圖………………………………… 104
圖4-4.2.4 20nm ZnSe奈米洞測試之剖面圖……………………105
圖4-4.3.1 在ZnSe奈米洞中磊晶CdSe量子點之應用示意圖…107
圖4-4.3.2 在20nm ZnSe奈米洞中磊晶CdSe量子點……………108
圖4-5.1 同心環狀結構…………………………………………111
圖4-5.2 網狀結構………………………………………………113
圖4-5.3 量子環結構……………………………………………115
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