第四章 氮化銦鎵薄膜之光學特性
4.2 低溫光激螢光光譜
2.46eV 與 2.07eV，以及高能量譜峰為 2.94eV、2.82eV 與 2.58eV，對應的磊晶 溫度分別為750℃、725℃及 700℃
2. 長晶溫度為 675℃及 650℃。只看見單一譜峰存在，峰值能量為 1.83eV 與 1.68eV(發光波長 750nm)，對應的長晶溫度分別為 675℃及 650℃。
在文獻中，在光激螢光光譜上看見兩個波峰存在的原因可能為
1) 氮化銦鎵薄膜出現相分離的情形。Yong-Tae Moon et al. [6] 成長銦組成為 20%、厚度分為 30nm、100nm、300nm 的氮化銦鎵薄膜。在厚度增為 300nm 時，
X 光繞射頻譜出現了相分離的訊號，且從光激螢光光譜可以明顯看見兩個波峰 的存在，確定為相分離導致的結果。
2) 氮化銦鎵薄膜磊晶厚度大於臨界厚度(critical layer thickness)時應力釋放的情 形。S. Pereira et al. [7] 成長銦組成為19%、厚度為 120nm 的氮化銦鎵薄膜，從 倒置空間圖 (Reciprocal Space Mapping) 明顯發現有兩種相位存在，分別為受
應力(strained)與鬆弛狀態(relaxed)的兩種相位。經計算結果得知兩者銦含量相 同，隨後利用陰極激發光譜深度分析證實上述高、低能量波峰分別來自於下層 之應力層以及上層之鬆弛層所致。
3) 因為缺陷導致的深層能階發光(Deep level emission)。M.R. Correia et al. [8] 成長 銦組成為5%、厚度為 150nm 的氮化銦鎵薄膜，光激螢光光譜除了可看見 3.25eV 的近能帶邊緣發光 (near-band-edge emission) 外，還有另一低譜峰能量為 2.74eV。透過螢光激發光光譜 (PL Excitation)取偵測能量為 2.74eV，除了看見 能帶邊緣的吸收(3.25eV)，還有另一吸收位置在 3.0–3.2eV，確認低能量波峰
GaN InGaN
InGaN
a
= ( a − a ) / a
ε
(2)t 為臨界厚度(Critical layer thickness)。若壓縮應力固定，則隨著薄膜厚度的增加，
當應變能大於極限時薄膜會以晶格排列錯位(dislocation)等形式釋放應變能，因此
高能量譜峰值(2.77eV)始出現並且訊號強度逐漸增強，在 16keV 時始有氮化鎵基 底的訊號。因此確認高、低能量波峰分別來自於下層之應力層及上層之鬆弛層所
的半高寬與銦組成的關係圖，並且引用文獻[1] [10] [11]中成長氮化銦鎵薄膜之半 高寬的結果。文獻顯示，氮化銦鎵薄膜銦組成往中間組成增加時，銦、鎵原子分 佈越不均勻造成位能波動(potential fluctuation)越劇烈，光激螢光光譜波峰的半高 寬因此增大。然而，我們的樣品隨著銦組成的增加半高寬變窄，從 300meV 下降 至180meV，樣品銦組成 40%光激螢光光譜的半高寬僅 180 meV，不遜色於低銦 組成氮化銦鎵薄膜得到的結果。
以氮化銦鎵薄膜而言，藍光(450nm)所需的銦含量約為 0.18，綠光(520nm) 約為 0.25，發光波長越長則所需的銦含量就越高。雖然利用 MOCVD 成長氮化銦 鎵薄膜的文獻相當多，但發光波長最高只有 650nm
[8]。先前提及由於銦原子的
高脫附速率，限制了高銦組成氮化銦鎵薄膜的成長溫度上限，而降低溫度成長薄 膜時，氨氣的裂解率低，提供之活性氮原子不足容易造成氮空缺等本質缺陷，導 致薄膜品質不佳。雖然 Pantha et al.[5]在 2008 年已經成功的使用 MOCVD 成長出 銦組成 25%–63%且為單相的氮化銦鎵薄膜，但是卻沒有關於光性方面的探討。到目前為止，高銦組成(>30%)氮化銦鎵薄膜的光學性質依然相當稀少的。
值得一提的是我們成長出銦組成 0.40(發光波長 750nm)具單一譜峰的紅光且 維持了一定的品質(半高寬僅 180meV)。然而，在氮化銦鎵薄膜的發光來源來自 載子飄移至位能低點復合發光，為了了解氮化銦鎵薄膜能隙 (bandgap)，接續作 了吸收光譜的實驗。
圖4–2 此系列變溫樣品的低溫(14K)光激螢光光譜
圖 4–3 長晶溫度為(a)725℃與(b)675℃的樣品，其倒置空間圖與室溫下的陰極 激發光譜(加速電壓從6keV 至 20KeV)
圖 4–4 文獻中使用有機金屬化學氣相沈積系統(MOCVD)與分子束磊晶法 (MBE)成長氮化銦鎵薄膜，光激螢光光譜的半高寬(FWHM)與銦組成的關係圖。
4.3 吸收光譜(Absorption)
直接半導體(direct semiconductors) [12]。氮化銦鎵薄膜銦組成38%及 40%樣品曲 線斜率的陡峭程度不如低銦組成的氮化銦鎵薄膜，我們認為部份原因是薄膜為 3生較強的吸收。計算的能隙為 2.90、2.70、2.45、2.20 及 2.08eV，其對應的銦組 成分別為18%、22%、30%、38%及 40%。圖 4–6 為能隙與銦組成的關係圖，可 以看見能隙隨著氮化銦鎵薄膜銦組成的增加隨之下降，我們使用三元合金的能隙
彎曲方程式去描述能隙與組成的相關性(如圖 4–6 的虛線)：
化銦鎵系統裡，其尺寸形式從原子尺度到100nm，而不是單純考慮銦與鎵原子形 成一個簡單的隨機分佈。這些富銦的簇主導了氮化銦鎵薄膜的發光行為，此為產 生相當大斯托克斯位移(500 meV)的原因。為了進一步的探討高銦組成樣品的發 光特性，其來源可能來自於深層能階發光(Deep level emission)[8]或者銦含量較 多的量子點造成發光的結果，接續作了螢光激發光光譜實驗。
圖 4–5 不同銦組成的樣品低溫(14K)下的吸收光譜，其吸收係數平方對光子能 量的繪製
圖4–6繪製能隙與銦組成變化的關係圖，虛線為使用J. Wu et al. 團隊在2002年 使用吸收光譜求得b值為1.43eV的能隙彎曲方程式。將低溫光激螢光光譜的波峰 值繪製上去作為比較，實線為使用O. Briot et al.團隊在2009年使用光激螢光光譜 求得b值為2.8eV的能隙彎曲方程式。
4.4 螢光激發光光譜(PL Excitation)
(如灰線所示)。當我們針對高能量波峰(PH)取偵測能量分別為 2.89、2.83、2.78eV 時，可以看見吸收邊緣(absorption edge)隨著偵測能量的降低隨之降低[19] [20][21] 。此種特徵被認為與能帶尾端發光(band tail emission)相關，這是因為在氮
化銦鎵薄膜內銦、鎵原子分佈不均勻導致導電帶及價電帶的能帶邊緣在空間分佈
針對螢光光譜單一譜峰取偵測能量為2.00、1.86、1.73eV 時，可以看見當偵測能
量降低時，其吸收邊緣也隨之降低。此實驗證明，量測的光激螢光光譜實質上為 不同銦組成、不同微觀區域發光疊加的結果。此外在偵測能量為2.00eV 時有強烈 的激子(exciton)共振吸收，此增強的吸收峰值證實螢光光譜的高能量部分主要為 激子的貢獻。最後，另有一額外的吸收峰值落於2.75eV，遠大於銦組成 0.38 氮化 銦鎵薄膜的吸收邊緣且與偵測能量無關，我們推測這可能是由於鄰近氮化鎵的介 面能態吸收造成的結果。
圖 4–7 為氮化銦鎵薄膜銦含量 0.22 的樣品，其螢光激發光光譜的結果；螢光 光譜也顯示在圖4–7。
圖4–8(a)在分佈不均勻的氮化銦鎵合金裡，光激螢光光譜複合發光的示意圖。
(b)氮化銦鎵薄膜內銦、鎵原子分佈不均勻導致導電帶與價電帶的能帶邊緣在空 間分佈上產生差異，因此產生能帶尾端發光。
圖 4–9 為氮化銦鎵薄膜銦含量為 0.38 的樣品，其螢光激發光光譜的結果；螢 光光譜也顯示在圖4–9。