[[alternative]]Study for the formation mechanism of Ⅱ-VI semiconductor nanostructures

碩士[[abstract]]本實驗是研究II-VI 族半導體奈米結構(Nano Structure)，嘗試在GaAs基板上以硒硫鎘 (CdSSe)生長特殊奈米結構。在量子點的特殊結構中，我們經由適當的實驗條件，可以製作出量子環與量子花之特殊結構，針對這些實驗條件，我們分析出這些特殊結構的生長機制。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，再嘗試以不同成熟時間的方式來生長。在實驗上，以熱壁式磊晶系統來製作我們的樣品，藉由控制GaAs(001)基板表面洗滌、磊晶厚度與成熟期時間等條件，得到較佳的量子點結構。[[abstract]]This thesis is devoted to study the properties of Ⅱ-Ⅵ semiconductor Nano structure. We attempt to develop spacial nano structures based on GaAs substrate with CdSSe.We have fabricated some special structure such as：necklace , flower like as well as quantum ring structures.We also describe the mechanism for the formations of above structures. First we rinse the substrate in order to cause flutes and fillisters, grow quantum ring based on the properties of surrounding and assembling of quantum dot and then try to grow them with different ways.Experimentally, our samples of CdSSe quantum dots were growth on the (001) GaAs substrate by a Hot Wall Epitaxy(HWE) System.We controlled the conditions of the etching , epitaxy thickness and mature period to get special structure of quantum dots.[[tableofcontents]]目錄 序論 ....................................................1 第一章 半導體量子結構簡介.............................3 1-1 半導體元件的應用..................................... 3 1-2 Ⅱ-Ⅵ族半導體材料分析................................ 7 1-3 低維度半導體介紹.....................................10 1-4量子點簡介............................................11 1-5量子點之成長與磊晶模式................................13 1-6小結..................................................17 第二章 量子理論簡介................................... 18 2-1 量子點特性 ..........................................18 2-2 單一量子井...........................................20 2-3多重量子井............................................24 2-4 量子點的狀態密度函數.................................27 2-5 熱退火...............................................31 2-6 侷在化效應...........................................33 第三章 實驗裝置........................................35 3-1 熱壁式磊晶系統.......................................35 3-2 掃描式電子顯微鏡SEM .................................43 3-3 原子力顯微鏡.........................................46 3-4熱壁式磊晶系統基本實驗流程............................49 第四章 實驗內容與討論.................................51 4-1 砷化鎵（GaAs）基板洗滌與表面處理.....................51 4-2改變純水量的混合液(H2O-H2O2-H2SO4)配方..................54 4-3固定混和液H2O-H2O2-H2SO4=6:1:3，改變蝕刻時間............56 4-4 改善基板品質過程.....................................60 4-5基板位置與蒸鍍狀況....................................63 4-6 SEM生長速率測試......................................65 4-7 改變ML原子層........................................67 4-8在坑洞結構生長量子點改變成熟期(1ml) ..................73 4-9在坑洞結構生長量子點改變成熟期(3ml) ..................78 4-10 特殊結構--量子花結構................................87 4-11在坑洞結構生長量子點改變成熟期(5ml)..................91 4-12 特殊結構—5ML特殊凸起結構...........................95 第五章 結論... .........................................97 第六章 參考文獻..................................... ..99 圖目錄 圖1-1-1均質結構..........................................3 圖1-1-2 雙異質結構........................................3 圖1-5-1異質結構成長之三種模式............................15 圖2-1-1 激子在不同侷限效應結構中的自由度.................19 圖2-2-1 單一量子井之位能圖...............................22 圖2-2-2 有限位井能階圖解示意圖...........................23 圖2-2-3 單一量子井內電子與電洞能階示意圖.................23 圖2-3-1 週期性位能井示意圖...............................26 圖2-3-2 多重量子井能帶示意圖.............................26 圖2-4 不同維度下之狀態密度與能量關係圖...................30 圖 2-5-1 邊際差排(a)和螺旋差排(b)的結構圖................32 圖 2-5-2 溫度和硬度(應力)之關係圖........................32 圖 2-6-1 多重量子井結構之濃度............................34 圖 2-6-2 多重量子井結構之井寬不一圖......................34 圖3-1-1 熱壁式磊晶生長系統（Hot Wall Epitaxy）(a)內部示意圖 (b)照片.....................................36，37 圖 3-1-2 擴散幫浦圖.....................................38 圖 3-1-3 低溫幫浦圖結構圖...............................39 圖 3-1-4 B-A式離子真空計結構示意圖.......................40 圖3-2-1(a) SEM構造方塊圖................................44 圖3-2-1(b) 電子束射在試樣上所產生信號之種類.............44 圖3-2-2 SEM系統簡化示意圖 .............................. 45 圖3-3-1 AFM構造圖....................................... 48 圖3-3-2 接觸式示意圖.....................................48 圖3-3-3非接觸式示意圖................................... 48 圖3-3-4 原子力顯微鏡 （a）實體照片 （b）探針、懸臂與光反射訊號.....................................................48 圖4-1 H2O-H2O2-H2SO4系統中砷化鎵(GaAs)的蝕刻曲線圖.........53 圖4-2-1 H2O-H2O2-H2SO4 =1:1:3~4:1:3 AFM基板表面結構圖.....55 圖4-2-2 H2O-H2O2-H2SO4 =5:1:3~8:1:3 AFM基板表面結構圖......55 圖4-3-1 H2O-H2O2-H2SO4 =6:1:3 AFM平面圖，分別為20秒、40秒、60秒、80秒、100秒與乾淨基板 的基板表面結構圖.............57 圖4-3-2 H2O-H2O2-H2SO4 =6:1:3 AFM 3D圖，分別為20秒、40秒、60秒、80秒、100秒與乾淨基板 的基板表面結構圖..............58 圖4-3-3 H2O-H2O2-H2SO4 =6:1:3 其他基板表面特殊起伏結構......59 圖4-4-1 未烘烤前，基板表面坑洞狀態AFM圖，上有白點氧化物雜質.......................................................62 圖4-4-2 烘烤後，基板表面坑洞狀態AFM圖，變乾淨且雜質少...62 圖4-5-1石英管管口與蒸鍍氣流方向示意圖...................63 圖4-5-2(a)基板四個位置蒸鍍示意圖，分四個象限去觀察蒸鍍狀況.......................................................64 圖4-5-2(b) 基板四象限位置的薄膜平均度，第二象限的薄膜平均度最好，所以選擇二象限的位置來做後續長晶實驗................64 圖4-6 CdSSe的SEM 截面圖，顯示CdSe的薄膜生長厚度.........66 圖4-7-1 CdSSe生長1ML~8ML 固定成熟期 的 AFM 平面結構圖....68 圖4-7-2CdSSe生長1ML~8ML 固定成熟期 的 AFM 3D結構圖......69 圖4-8-1(a) 1ml成熟期 四分鐘CdSSe表面AFM結構圖..........74 圖4-8-1 (b)1ml 成熟期 六分鐘CdSSe表面AFM結構圖..........74 圖4-8-1(c)1ml 成熟期 十分鐘CdSSe表面AFM結構圖...........74 圖4-8-2 量子點的堆積(a)、聚集(b)、合併(c)現象示意圖.......75 圖4-9-1(a) AFM-平面 3ML改變成熟期5~10分鐘CdSSe生長狀況..79 圖4-9-1(b) AFM-3D 3ML改變成熟期5~10分鐘CdSSe生長狀況....80 圖4-9-2(a) 放大倍率(3X3) AFM-2D 3ML改變成熟期5~10分鐘CdSSe生長狀況.................................................81 圖4-9-2(b) 放大倍率(3X3) AFM-2D 3ML改變成熟期5~10分鐘CdSSe生長狀況.................................................82 圖4-9-3 放大 CdSSe 3ML八分鐘成熟期時的量子點生長情況AFM圖，(a)(e)為量子點隨坑洞形狀圍繞坑洞周圍。(b)(c)(f)為量子點 在坑洞內的聚集情況.......................................83 圖4-9-4 量子點的堆積(a)、聚集(b)、合併(c)現象示意圖......84 圖4-10-1(a) 引用鄭喬鴻學長的量子花AFM結構圖[19]........88 圖4-10-1(b) 引用鄭喬鴻學長的量子花結構示意圖[19]........88 圖4-10-2 AFM-2D&3D CdSSe 3ML成熟期九分鐘時觀察到的各位置量子花結構.................................................89 圖4-10-3 從乾淨基板，CdSSe量子點開始堆積(a)、聚集(b)、合併到量子花(c)與量子花形成示意圖(d).........................90 圖4-11-1 AFM-2D Outside(a)~(f)分別為5~10分鐘，未打樣品部分的表面結構圖...........................................92 圖4-11-2 AFM-2D Inside(a)~(f)分別為5~10分鐘，打CdSSe的表面結構圖.................................................92 圖4-11-3 AFM-3D Outside(a)~(f)分別為5~10分鐘，未打樣品部分的表面結構圖...........................................93 圖4-11-4 AFM-3D Inside(a)~(f)分別為5~10分鐘，打CdSSe的表面結構圖...............................................93 圖4-11-5 S-K mode 為了解消內應力而隆起示意圖............94 圖4-11-6 為基板與底座放置圖，將雲母片分成一半，蓋住基板的部分outside與沒蓋住基板來生長樣品的Inside.................94 圖4-12-1 搖滾惡魔角手勢。愛與和平；對社會的批判.......95 圖4-12-2 5ML惡魔角特殊凸起結構AFM結構圖。依順序為乾淨基板、10X10μm、5X5μm、3X3μm AFM結構圖......................96 圖4-12-3 5ML惡魔角特殊凸起結構(a)剖面圖(b)結構示意圖(c)AFM放大圖.............................................96 表目錄 表1-2-1 半導體化合物之晶格常數、能隙與激子束縛能.........9 表4-7-1 (a)1ML~8ML CdSSe量子點平均高度曲線表............71 表4-7-1 (b)1ML~8ML CdSSe量子點平均直徑的曲線表...........71 表4-7-1 (c)1ML~8MLCdSSe量子點高寬比曲線表................72 表4-7-1 (d)1ML~8ML CdSSe量子點密度曲線表................72 表4-8-1 (a)1ML 改變成熟時間6~10分鐘 CdSSe量子點平均高度曲線表.....................................................76 表4-8-1 (b) 1ML 改變成熟時間6~10分鐘CdSSe量子點平均直徑曲線表.....................................................76 表4-8-1 (c) 1ML 改變成熟時間6~10分鐘 CdSSe量子點高寬比曲線表.......................................................77 表4-8-1 (d) 1ML 改變成熟時間6~10分鐘 CdSSe量子點密度曲線表.......................................................77 表4-9-1 (a)3ML 改變成熟時間5~10分鐘 CdSSe量子點平均高度曲線表.....................................................85 表4-9-1 (b)3ML 改變成熟時間5~10分鐘 CdSSe量子點平均直徑曲線表.....................................................85 表4-9-1 (c)3ML 改變成熟時間5~10分鐘 CdSSe量子點高寬比曲線表.......................................................86 表4-9-1 (d)3ML 改變成熟時間5~10分鐘 CdSSe量子點密度曲線表.......................................................86[[note]]學號: 696210250, 學年度: 10