第四章 結果與討論
4.2 低溫光激螢光光譜
改變三族（TMIn）中斷時間為 0 秒、5 秒、10 秒、15 秒、20 秒、
40 秒的這一系列樣品，量測在低溫（13K）下的光激螢光光譜，其結果 表示在圖4-2-1。
由波長 422nm，功率密度（power density）為～22W/cm2的氦鎘雷 射( He-Cd )所激發的螢光光譜圖，可以發現中斷時間在 15 秒之前，其光 譜譜線呈現不對稱峰形(asymmetric line shape)，光譜的峰值是在較高能 量0.75eV附近，半高寬(FWHM)大約是 70-80 meV且在低能量 0.71eV有 一譜峰出現。而中斷時間在 15 秒之後其光譜的峰值能量強度降低且由 高能量往低能量偏移至0.71eV附近，其半高寬(FWHM)大約為 55meV，
且光譜譜線呈現較對稱峰形。
在E.R.Weber的論文20中提到因為金屬銦液滴造成電子散射而使光激 發螢光降低。在C.Kruse的論文21中有進一步的討論。文中在三族較充裕
（Ga-rich）的環境下，成長氮化鎵（GaN）薄膜，並且在表面形成金屬 鎵液滴（Ga droplet）。他們發現在金屬鎵液滴下方，有氮化鎵的黃光放 射（yellow emission）。他們將這結果歸因於，金屬液滴所引發的缺陷，
如氮的空缺（N vacancy）或點缺陷（point defects）22，而其他類似的論 文中，也猜測可能與堆疊錯誤（stacking faults）有關。此外，金屬銦的
0.69eV1-4有明顯的差異，這樣的差異可能來自於Burstein-Moss效應。而 所謂的Burstein-Moss效應指的是電子濃度增加時，所造成吸收光譜起始
點的藍移（blue shift），或費米能階向高能量移動。在氮化銦材料中
gn(En)代表電子能量在En時，傳導帶電子的能態密度（density of states），
gp(Ep)代表電洞能量在Ep時，價帶電洞的能態密度，EFn與EFp代表傳導帶 與價帶的準費米能階（quasi-Fermi levels），fn與fp代表準平衡的費米-迪 拉克函數（nonequilibrium Fermi-Dirac functions），Eg為能隙。我們將電 子電洞的能態密度與濃度隨能量的分佈作圖，並表示在圖4-2-4。
由於在氮化銦材料中，電子濃度遠大於電洞濃度，所以光激螢光光 譜的特徵主要受電子濃度分佈影響。
所以間接的推測，在中斷時間 15 秒之前的樣品，其螢光主要譜峰能 量( peak energy )0.75eV，可能是電子自濃度較高的非拋物面導電帶到近 價電帶邊緣( near band edge )的輻射躍遷。而螢光強度較弱的次要譜峰能 量( peak energy )0.71eV，可能是電子自濃度較低的非拋物面導電帶到低 密度深態受體位階( deep acceptor level )分佈上電洞( deep acceptor level ) 複合產生的輻射躍遷。更近一步的討論，將敘述在4.3 節中。
然 而 中 斷 時 間 15 秒 之 後 的 樣 品 ， 光 激 螢 光 譜 峰 能 量 ( peak energy )0.71eV，可能是電子自濃度較低的非拋物面導電帶到低密度深態 受體位階分佈上電洞複合產生的輻射躍遷。對應到成長時間 15 秒之後 的樣品，如圖4-1-1(d) (e) (f)，形貌上僅有大六角晶形氮化銦多孔結構
奈米粒，所以推論螢光譜峰能量0.71eV，應來自此結構，並且推測成長 時間 15 秒之前的樣品，次要螢光譜峰能量 0.71eV，也來自此大顆六角 晶 形 氮 化 銦 多 孔 結 構 奈 米 粒 ， 而 螢 光 主 要 譜 峰 能 量( peak energy )0.75eV，可能來自小顆六角晶形氮化銦奈米粒。
為了進一步瞭解氮化銦奈米點的光學性質，我們做了變溫光激螢光 光譜和時間解析光激螢光光譜的量測。
0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 Interruption time per cycle
40 sec 20 sec 15 sec 10 sec 5 sec 0 sec 13K
P L int e nsit y (a.u.)
Energy (eV)
圖4-2-1 低溫(13K)光激螢光光譜。圖中指出，成長中斷時間15秒之前樣 品，其光譜譜峰主要峰值為0.75eV，成長中斷時間15秒之後樣 品，其光譜譜峰峰值為0.71eV。
0.6 0.7 0.8 0.6 0.7 0.8 13K 0sec
P L inte ns it y (a .u.)
Energy (eV)
before etching after etching
5sec
10sec
20sec 15sec
40sec
圖4-2-2 低溫(13K)光激螢光光譜。這一系列改變不同中斷時間樣品，
其蝕刻前後低溫(13K)光激螢光光譜。
圖4-2-3 引用J.Wu4的結果，得知霍爾量測得到的電子濃度大小與
吸收光譜起始點的關係。實線是非拋物面的傳導帶結構的理 論計算，而實點是實驗結果。
圖4-2-4 簡併半導體的電子電洞復合簡圖。縱軸是能量，橫軸是傳導 帶或價帶的狀態密度。圖中左半邊為 a），代表費米能階較 低的情況（EFn1<EFn2），而右半邊為b），代表費米能階較高 的情形。塗滿的部分代表電子或電洞濃度隨能量的變化。而 光激螢光光譜的強度極大值，會出現在電子濃度最高的能量 與電洞濃度最高的能量之間的躍遷。