電洞的傳輸行為
5.2 侷限能階的電洞放射
電洞的傳輸行為
由前面兩章所提到的照光模型中可以知道，照光下的電容值調變主要是受到 少數載子－量子井價電帶上侷限的電洞所主導，因此這章節我們將藉由照光的暫 態電容量測（transient）來觀察電洞傳輸行為的資訊。
5.1 暫態電容的量測（C-T measurement）
(圖 5-1)是在 C－t 的量測過程中，在不照光的環境下突然對樣品照射一道激 發光源，這時候電容值會有明顯地抬升，持續照射光源經過一段時間，當樣品趨 於穩定狀態下（steady-state），這時候所量測到的電容值是一不隨時間改變的定 值。接著，我們直接將光源關掉（off）停止光激發載子的能量來源，此時所觀 察到的電容值會馬上下降且經過一段時間後呈現不隨時間改變的定值。
開始照射光源導致電容值上升的原因是能階侷限多餘的電洞進而貢獻在電 容值上(圖 5-2)，當停止外加光源後，電洞受到外加電場的影響脫離了侷限能階，
進而使得電容值下降(圖 5-3)。藉由這樣的分析方式，在下一小節我們將利用不 同能量的外加光源照射樣品來觀察 QW 中的電洞放射行為。
5.2 侷限能階的電洞放射
我們改變不同能量的外加光源來照射樣品，外加光源能量從 0.8 eV 每隔 0.1eV 增加至 1.4eV，接著將外加光源關掉（off）停止光激發載子的來源，藉由
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C－t 的電容值量測來觀察暫存在樣品結構 QW 的電洞放射。原本光激發產生暫 存在量子井裡的電洞，會慢慢地受外加電場的影響而脫離出量子井至樣品負極中 和，使得電容值下降至一個新的穩定狀態(圖 5-4)。圖上值得注意得的是在小能 量部分（＞1.1eV），當停止照射光源後，電容值會呈現一個指數函數的衰減，其 時間常數很久大約為數十秒，也就是說被能階侷限的電洞需要很長一段時間才能 脫離，這麼久的時間常數合理的猜測應該是來自深層缺陷捕捉電洞所造成。大能 量部分（≧1.1eV），當停止照射光源時，尤其是能量 1.2eV 光源，此光源恰好是 激發量子井中載子所需的能量，這時會看到極短時間內電容值會呈現一段大幅度 的指數函數下降，說明了此時正有大量的電洞脫離 QW 的侷限能階，而由於儀 器解析度的限制，C－t 的量測對於時間的解析屬於秒的等級，因此這段大幅度 暫態電容變化的時間常數只能說是非常快速的。然而值得一提的是，GaAsN 材 料量子井的價電帶的能隙補償差（valence band offset）很小，約為數十個 meV，
所以這段快速且大幅度的電容值下降訊號應該是來自於量子井中的電洞放射，也 借此再度證明了適當能量光源照射下所貢獻的光電容訊號是來自於量子井 。
(圖 5-1) 照射、中斷光源的電容值隨時間改變圖
(圖 5-2) 照光中能階侷限電洞示意圖
0 20 40 60 80 100 120 140 160
433 434 435 436 437 438 439
light off
energy=1.1eV
Time (sec) light on
GaAsN_SQW_80A_MBE
T=80 K bias=-3V
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Capacitance (pF) 0.8 eV
0.9eV
第六章
結論
本論文主要探討 GaAsN/GaAs 量子井結構中光激發載子的光電容與光電流的 特性。首先，我們針對 GaAsN 量子井結構建立一套光激發載子的行為模型，並 藉此模型來瞭解 GaAsN 量子井結構的光電流與光電容的產生機制。而根據我們 所建立的光激發載子行為模型，GaAsN 量子井中的光電流和光電容是與其光激 發載子速率、載子復合速率、電子與電洞的放射速率…等密切相關。
接著，我們利用我們所建立的模型來探討 GaAsN 量子井結構在各種不同情況 下（包含不同的環境溫度下、不同的外加電場下、樣品經過熱退火後、不同的量 子井厚度）其光激發載子的行為。對於不同的環境溫度，GaAsN QW 的 PL 發光 效率隨溫度的提高而下降，此現象即意味著 GaAsN QW 的載子復合速率隨溫度 的提高而減弱。因此，隨著環境溫度的提高，GaAsN QW 中會有更多的電子-電 洞對貢獻在光電流與光電容的產生上。此外，對於不同厚度的 GaAsN QW，其 電子-電洞波函數在空間中重疊的程度會隨著厚度的增加而減少，且其電子-電洞 波函數在空間中重疊的程度即對應於 GaAsN QW 的載子復合速率。因此，隨著 GaAsN QW 厚度的增加，其載子復合速率會隨之下降，因而會有更多的電子-電 洞對貢獻在光電流與光電容的產生上。而對於不同的外加偏壓(電場)，由於電子 與電洞的放射速率會隨偏壓的增大而提升，且 GaAsN 量子井中的電子放射速率 會大於其電洞放射速率。因此，在較小的外加偏壓時，GaAsN QW 中的電子放 射速率會隨偏壓的增大而提升，所以 GaAsN QW 中會有更多的電洞貢獻在其光 電容的產生；然而，隨著外加偏壓再增大時，此時 GaAsN QW 中的電洞放射速 率會提升至接近其電子放射速率的程度，因而導致 GaAsN QW 的光電流隨之提
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高，且 GaAsN QW 的光電容亦隨之下降。當 GaAsN QW 中存在氮相關局部侷限 能階(N-related localized states)時，其會抑制 GaAsN QW 電子能階的穿隧放射特 性，進而造成其有著較慢的電子放射速率；而當 GaAsN QW 經過熱退火後，
GaAsN QW 中的氮相關局部侷限能階(N-related localized states)會隨之減少，因此 GaAsN QW 電子能階會恢復為一般高品質量子井的穿隧放射特性，進而造成其 有著相當快的電子放射速率。所以，當 GaAsN QW 經過熱退火後，GaAsN QW 中的淨電洞量會隨之增加，因而其有著相對較大的光電容值。
同時，我們也藉由光電容的暫態變化來探討 GaAsN QW 中光產生載子的反 應速率。我們利用照光 C-t 的量測來探討在照射不同能量之激發光源下 GaAsN QW 光電容的暫態變化。對於 GaAsN QW 所產生的光電容，其是由於電洞被侷 限在 GaAsN QW 的電洞能階。因此，在中斷激發光源後，相較於電洞被侷限在 缺陷能階所造成的光電容，GaAsN QW 所產生之光電容在極短的時間內即會消 失。並且，根據我們所建立的光激發載子行為模型，此光電容在極短時間內即消 失之特性是由於 GaAsN QW 有著相對較快的電洞的放射速率；而當 GaAsN QW 應用於反應迅速的光電元件上時，其光電容快速消失之特性將會有著相當大的優 勢。
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