低溫光激螢光光譜

改變長晶溫度從 550^oC～725 ^oC 的這一系列樣品，量測在低溫

（20K）下的光激螢光光譜，其結果表示在圖 4-2-1a），聚焦在表面的 雷射功率密度（power density）為～80W/cm²。每一個長晶溫度的樣 品，其光譜的峰值能量（peak energy）與光譜的半高寬（FWHM），

也整理在圖 4-2-1b）。其中在低溫成長的樣品（長晶溫度為 550^oC 與 575^oC），有較差的光學性質。我們可以發現光譜的半高寬(FWHM)是 偏高的～100meV，並且光譜的峰值能量是較高的～0.8eV，這與近年 來，一般公認氮化銦的能隙約在～0.69eV^1-4有明顯的差異，這樣的差 異可能來自於嚴重的的 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。

Burstein-Moss效應在氮化銦材料中，是經常被討論到的現象，原 因在於氮化銦的材料中，常見非刻意摻雜的高濃度電子（>10¹⁸cm^-3）， 並且氮化銦材料的電子有效質量很低約為0.042～0.070m09，所以傳導 帶中的電子能態密度較低，以致於電子容易填到較高的能階上，以致 於材料中的費米能階，被提升到傳導帶內。並且隨著電子濃度的增 加，費米能階也會隨之升高，所以光譜的峰值能量，與光譜的半高寬，

會隨著電子濃度的增加而增加（不同電子濃度的簡併半導體，其電子 電洞復合簡圖，表示在圖2-2-2）。為了定量的分析樣品中的電子濃 度，我們利用光激螢光光譜的譜線圖形模型（line shape modal）做估 算 。 而 擬 合 的 模 型 ， 是 參 考 自 由 能 階 到 受 縛 能 階 的 復 合 模 型 (free-to-bond recombination model)¹。

首先我們可以將光激螢光光譜的強度，隨螢光能量的分佈，表示

如下： 表準平衡的費米-迪拉克函數（nonequilibrium Fermi-Dirac functions），

E_g為能隙。由於打在樣品上的雷射功率只有約～80W/cm²，所以激發 能帶結構（band structure）。在此我們引用J. Wu在論文¹⁷中，用以模擬 氮化銦的非拋物線（non-parabolic）傳導帶結構，寫成：

8 )

素（momentum matrix element）所對應的能量參數，在J. Wu的論文中

得到的費米能階，與經由（6）式換算所得的電子濃度，表列在表 4-2-1。我們可以清楚看見低溫區（長晶溫度在550^oC與575^oC）的電子 濃度是在較高的4.0～4.2×10¹⁸cm^-3。相較於中溫區（長晶溫度在600^oC

～650^oC）則是在較低的2.2～2.3×10¹⁸cm^-3。到了高溫區（長晶溫度在 675^oC～725^oC），隨著長晶溫度從675 ^oC提升到725 ^oC，電子濃度有微 幅的下降從～2.2×10¹⁸cm^-3到～1.7×10¹⁸cm^-3。由此可知，低溫區中較 差的光學性質（峰值能量在～0.8eV，半高寬為～100meV），可能是 來至於Burstein-Moss效應。

關於上述在產生滴狀金屬銦，並且有較高電子濃度的低溫區中，

光學性質較差的成因，還沒有一定的論述。然而在C.Kruse²²的文章中 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，並且在表面形成滴狀金屬鎵（Ga droplet）。他們發 現在滴狀金屬鎵下方，有氮化鎵的黃光放射（yellow emission）。他們 將這結果歸因於，滴狀金屬鎵所引發的缺陷，如氮的空缺（N vacancy）

或點缺陷（point defects），而其他類似的論文中，也猜測可能與堆疊 錯誤（stacking faults）有關。由此推估，在我們樣品的低溫區中，光 學性質較差的成因，與滴狀金屬銦引發的缺陷有關。

由低溫光激螢光光譜的結果（見圖 4-2-1（a）、（b）），可以看到 當長晶溫度提升到600^oC 以上時，氮化銦奈米點的光學性質有了明顯 的提升。光激螢光光譜的強度，相較於低溫區，大幅增加了～10 倍，

而且光譜的峰值能量降到較低的～0.77eV，光譜的半高寬（FWHM）

也降到～71meV。在整個中溫區（長晶溫度在 600^oC～650^oC 之間）

中，氮化銦奈米點都有如此好的光學性質。

然而當長晶溫度升高到高溫區（長晶溫度在 675^oC～725^oC 之間）

時，雖然如4.1 節所討論的有明顯的銦脫逸效應，但是從低溫光激螢 光光譜的結果（見圖 4-2-1（a）、（b）），可以看到在高溫區所成長的 氮化銦奈米點，仍然有相當好的光學性質。我們觀察到光譜的峰值能 量，隨著長晶溫度從675 ^oC 提升到 725 ^oC，有微幅的下降從～0.77eV 到～0.76eV。而且光譜的半高寬約為～75meV，也只比中溫區的光譜 半高寬（～71meV）些微上升。即使到了我們長晶溫度的最大值（725

oC），光譜的峰值能量仍只有～0.76eV，光譜的半高寬也在～75meV。

這樣氮化銦奈米點的光學品質，並不亞於其他也是用有機金屬氣相沈 積（MOVPE），在低溫（長晶溫度在 530^oC～600^oC 之間）所製備的 氮化銦薄膜^23,24。然而從低溫光激螢光光譜的結果（見圖4-3-1（a）、

（b）），在高溫區中所觀察到的光譜強度下降，光譜的峰值能量的微 幅下降，以及光譜半高寬的些微上升，可能與氮化銦奈米點在高溫區 中，所受的銦脫逸效應有關。可能在銦脫逸吸附時會留下銦的空缺（In vacancies），因而產生一些非輻射復合中心。這部分我們將在 4.4 節 中討論。

圖4-2-1 a）一系列長晶溫度從 550^oC 到 725^oC 的樣品，量測在低溫

（20K）下的光激螢光光譜。b）則是光譜的峰值能量（peak energy）與光譜的半高寬(FWHMs) 對不同長晶溫度的關係

a)

b)

0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0

5.0x10

1.0x10

1.5x10

2.0x10

20K PL

x 5 x 5

In te n sity (a .u .)

Energy (eV)

550

C

550 600 650 700 0.76

0.78 0.80

0.82 Peak energy

FWHM

Growth Temperature (

C )

P eak En erg y (eV)

45

圖4-2-2 低溫所量測的光激螢光光譜譜線（空心圓）與擬合曲線（紅

Normalize PL i n tensi ty( a. u.)

600^oC

長晶溫度（^oC） 550 575 600 625 650 675 700 725 費米能階（meV） 111 115 78 81 80 78 70 64 電子濃度（10¹⁸cm^-3） 4.0 4.2 2.2 2.3 2.3 2.2 1.9 1.7 表4-2-1 利用自由能階到受縛能階的復合模型，所擬合得到的電子準

費米能階位置（以傳導帶底部為原點）與對應的電子濃度。