第三章：基本電性量測，主要介紹三片樣品的基本性質如光學特性的 PL、
TEM 結構形貌上的介紹和 CV、DLTS 的電性量測初步分析，主 要在探討尚未照光情形下的電性量測。
第四章：光激發下之電容量測，包含了光電容原理簡介，以及膜厚量測和量 子點樣品的光電容模型與數學模擬，探討量子點本身產生光電容的 可能性。
第五章：承接第四章，透過實驗和模擬佐證，加入缺陷產生光電容的因素 ，並建立一套模型來解釋砷化鎵樣品看到的光電容現象。
第六章：結論。
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圖 1-1 不同侷限維度之結構所對應的能態密度
圖 1-2 三種長晶模式，由左至右分別: F-vdM 、V-W 及 S-K mode
圖 1-3 以 S-K mode 方式成長 InAs 量子點
Energy
Density of states
3-D bulk 2-D well 1-D wire 0-D dot
Energy
Density of states
Energy
Density of states
3-D bulk 2-D well 1-D wire 0-D dot
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第二章 量測系統簡介與樣品製備
2-1 量測系統簡介
2-1-1 光激發螢光量測系統(Photoluminescence, PL)
本論文使用的 PL (Photoluminescence)量測設備由電物所楊賜麟老師實驗室 提供，其原理為對實驗樣品激發一大於或等於其能隙的光源，使價電帶(valence band, VB)中的電子吸收雷射光的激發能量後激發至導電帶(conduction band, CB) 上，而在價電帶上則產生了電洞，形成電子電洞對(electron–hole pair, E-H pair)，
電子電洞彼此受到庫倫力所吸引，一般稱為激子(exciton)，激子在經過一段生命 週期後電子落回價電帶與電洞復合，過程中可能是放出光子的輻射復合(radiative recombination)，或熱輻射、聲子等非輻射復合（non-radiative recombination）。 PL 量測系統所包含的儀器設備：
(1). 固態雷射(solid-state laser)：為 Excel 公司生產，型號為 LOC-VENTUS 1000 SERIES，為 CW 雷射，波長 532 nm，最大輸出功率 1.3 mW，雷射穩定度 在 1.9%以內，RMS 平均雜訊為 0.7%，驅動電流 6 安培，主要利用此雷射 來激發樣品發出螢光而偵測。
(2). 衰減濾光片組(Variable Neutral Density Filter)：利用衰減片來控制、調整實驗 所需的雷射輸入功率。
(3). 光遮斷器(Optical chopper)：目的在於使連續波的雷射形成方波的型式，所使 用的型號為 NEW FOCUS 3501，7/5 孔型式，固定頻率在 500 Hz。
(4). 聚焦透鏡(Focus Lens)：利用聚光透鏡將雷射光聚焦在樣品上。
(5). 溫控裝置：主要為了量測低溫與變溫的光學特性而設置，包含真空腔體 (chamber)、降溫用壓縮機(compressor)、機械幫浦(mechanical pump)、冷卻 水系統以及溫控器(temperature controller)。系統的最低溫度約在 10 K，可利
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用循環氦的壓縮機與溫控器的加熱器相互配合以控制實驗所需的溫度進行 量測。
(6). 高通濾光片(Long-pass filter)：雷射光強度遠大於樣品所放射出的螢光，使用 695 nm 的濾光片將雷射光過濾掉，避免其進入光偵測器中干擾實驗結果。
(7). 分光儀(monochromator)：型號為 ARC Spectro-275，聚焦長度為 27.5 cm，內 部含有有三塊光柵，為 600 goove/mm(BLZ=1000 nm)，可根據實驗所需的 波段範圍來選擇。
(8). 光偵測器(photodetector)：使用 Electro-Optical Systems 公司所生產的 InGaAs 光偵測器，在 300 K 時所適用的波長為 800 nm 到 1800 nm。
(9). 訊號放大器(multi-meter)：將光偵測器所接收到的訊號放大。
(10). 鎖相放大器(Lock-in Amplifier)：儀器型號為 STANDFORD RESEARCH SYSTEM SR850，目的在量測微小的交流訊號。
PL量測系統以如圖2-1所示進行架設，將波長532 nm固態雷射所發出的雷射 光，用不同倍率衰減片以降低輸出功率。將雷射光經由光遮斷器調變為方波形式，
並將光遮斷器的頻率送至鎖相放大器作為參考頻率。經過光遮斷器調變的雷射會 先光經過第一面透鏡後聚焦在樣品上，樣品受激發後進而放出螢光，螢光會經由 第二片透鏡將聚焦並通過一片695 nm的高通濾光片，將雷射光濾掉(為避免雷射 光訊號產生倍頻干擾)後進入分光儀的狹縫中進行分光，最後光偵測器會將偵測 到的螢光訊號傳送至鎖相放大器將與光遮斷器相同頻率與相位的訊號加以放大，
再傳回電腦存檔並讀出光激螢光光譜。
2-1-2 電流電壓量測(I-V)
實驗室所使用的電流電壓(I-V)量測系統為 KEITHLEY 236。我們會利用 I-V 量測來檢驗樣品經過蒸鍍或其它電極備製後特性的好壞，以確保樣品適合後續其 他電性發面的量測，再者我們也會利用 I-V 量測來探討照光下光電流的訊號。其
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2-1-4 暫態電容量測(Transient measurement,C-t)
暫態電容量測的原理：利用調變蕭基的空乏區，來控制載子進出缺陷，以量測缺 陷釋放載子或捕捉載子的時間。例如量測缺陷放射載子時：
1. 首先樣品處於一逆向偏壓，建立一段空乏區。
2. 加入一順向脈衝(減小逆向偏壓值)，注入載子，空乏區減小，電容變大，載子 被空乏區內的缺陷捕捉住。
3. 經過一段填充時間(filling pulse width)後，恢復原先的逆偏，被捕捉的載子還 來不及被場掃走，因此為了維持電中性電場平衡，空乏區會比原先大，電容 也因而更小。
4. 足夠時間後，多數載子由於熱激發慢慢被釋放，電容也隨之增加，慢慢飽和 呈現指數變化(point defect 的特性)。
但如果缺陷濃度極高如 dislocation…等，則電容值將不會飽和而 C-t 量測將呈現 對數的圖形。另ㄧ方面量測缺陷捕抓載子時，只需將前面所加的偏壓交換即可。
藉由量測完的圖形則利用下面的公式去擬合缺陷放射與捕捉時間：
t) exp( -A y y
1 1
0
(2-4) 上式中 τ1是量測到的時間常數，當缺陷放射載子時 A1<0，反之當其捕抓載子時 A1>0。當存在不只單一個缺陷被量測到時，可以增加後面的指數項，代表著同 時有兩個時間常數被量測到。暫態電容量測以 HP4194 儀器做量測。
2-1-5 深層能階暫態頻譜量測(DLTS)
DLTS 技術在 1974 年首先由貝爾實驗室的 D. V. Lang 在 J. A. P 期刊上.提出 [22]。利用週期性變化電壓施加於樣品上，改變樣品空乏區的大小，在連續不斷 的暫態電容量測中，找出隨溫度變化時的最大電容變化值的溫度，來獲得深層缺 陷的資訊[23]。優點：靈敏度高(可到 1010 cm-3之濃度偵測範圍)、能測多數與少
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數載子、觀測 defects 能階範圍廣、尤其是較深層的缺陷能階(emission time 在毫 秒等級的)也能夠被精準量測到，提高信號對雜訊的比值(S/N ratio)等。DLTS 技 術主要是給定兩時間 t1 與 t2，固定 t2/ t1，改變 t1 與 t2 來設定不同速率窗(利用 雙閘訊號平均器設定)，電子發射速率 en隨著系統溫度變化而改變，只有當 en剛 好落在所設之速率窗中，量測系統才達到峰值，即有
t1 -t2 ln(t2/t1)
en,max 。當溫度很 低時，ΔC 變化幅度很小(ΔC~0)，當溫度很高時，ΔC 變化幅度又太快(ΔC~0)，
只有當溫度在特定範圍，ΔC 變化才最大，與我們所設定的時間常數最接近。設 定不同 t1 與 t2 來改變不同速率窗(rate window，即 en,max-1)，獲得多組不同 en,max
與峰值溫度數據，可同樣求出缺陷活化能與捕捉截面積。
2-1-6 α-step 膜厚儀器量測
為了量測熱蒸鍍的電極鋁厚度，我們進行了 α-step 膜厚量測，其原理 很直觀，如圖 2-2 所示，此量測方式為破壞性量測，原理很簡單，將探針從沒蒸 鍍的區域移入有蒸鍍的區域時，其感受到的表面平整度會改變，故可藉由這種方 式偵測熱蒸度金屬的膜厚；量測時設定好探針下壓的力道，我們量測時將之設定 為 3mg，第一次量測完成後，由結果可推估樣品表面是否垂直正交於探針，若否 則調整平臺水平，之後再做第二次量測求得正確的膜厚值。
2-2 研究樣品備製
2-2-1 量子點磊晶樣品之備製
本實驗中所使用到的樣品為工研院所提供，利用分子束磊晶(Molecular beam epitaxy)機台在(100)方向的 n+-GaAs(1018 cm-3)基板上進行晶片的成長。基板成長 溫度固定在 600 ℃。而 QD、QW 的長晶溫度則設定為 485~500 ℃。成長的步驟 如下：
(1). 首先將基板溫度固定在 600 ℃，並以每秒 0.28 奈米(nm)的速率在 GaAs 基板
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上成長 0.2 µm n-GaAs (Si-doping：1017 cm-3)緩衝層(buffer layer)
(2). 利用成長緩衝層的最後 3 分鐘時間，於長晶的同時將基板溫度降至 550 ℃。
接著中斷成長(Growth interruption, GI) 2 分鐘的時間內把把基板溫度再降至磊 晶量子點結構所需的 480~500 ℃
(3). 之後以每秒 0.027 nm 的速率依序成長上不同厚度 InAs QD，量子點結構的磊 晶厚度為 2.34 個原子層(monolayer, ML)、3.3 ML
(3). 接著再以相同的基板溫度並配合長晶速率每秒 0.16 nm，覆蓋上厚度為 4.8 nm 的 In0.15Ga0.85As QW
(4). 維持磊晶量子井的基板溫度(500 ℃)與長晶速率先成長上 20 秒低溫 GaAs (5). 中斷成長 2 分鐘的同時將基板溫度升 550 ℃，緊接著則是花 3 分鐘的時間利 用邊升溫邊磊晶 GaAs 的條件將基板溫度升回 600 ℃，覆蓋 0.2 µm n-GaAs(Si- doping: 1017 cm-3) 覆蓋層(cap layer)。
完整的 2.34ML 和 3.3ML 磊晶結構與能帶圖如圖 2-3 所示
本實驗所用的砷化鎵(GaAs) wafer 則為 MITSUBISHI 公司使用 VPE 成長，
結構如圖 2-4 所示。
2-2-2 蕭基接面及歐姆接面之電極製作
由於電性量測時我們是利用探針，與樣品正負極接觸，所以做為電性量測的 樣品需要製作上正負電極，利用電極施與逆向偏壓於量測樣品上，以調變空乏區 的大小，來得到量子點樣品的電性。首先以熱蒸鍍的方式將鋁(Al)金屬蒸鍍於樣 品的磊晶面上，所形成的蕭基接面(Schottky contact)即為我們的正電極。而負電 極的製作則是在樣品的 GaAs 基板背面點上高純度銦球(In ball)並將其置於均勻 塗滿熔融狀態之銦薄膜的矽基板上，使正負電極皆在同一方向上，方便我們三點 探針基台的量測。
詳細的蕭基接面的製備過程如下：
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(1). 首先將樣品與蒸鍍金屬 Al 進行清潔，確保蒸鍍完成的蕭基接面有良好的品 質。第一個步驟將其沖泡於去離子水(D.I water)中 3 分鐘，並配合使用石英 震盪器，去除表面的一般雜質。
(2). 緊接著將試片浸泡於丙酮溶液(Acetone)中約 3~5 分鐘，將表面油漬除去。
(3). 利用沖泡去離子水約 3 分鐘的時間將殘留的 Acetone 去除。
(4). 將水與鹽酸以一比一的比例調配稀釋鹽酸，接著樣品置入溶液中 15 秒，去 除陽離子及氧化物。
(5). 以同樣比例的稀釋鹽酸將金屬 Al 表面的氧化層去除，使 Al 的表面成為乳白 色。
(6). 最後則是沖泡去離子水約 3 分鐘，去除表面殘留的酸液，並用氮氣將其吹 乾。
(7). 將清洗完成的樣品以真空膠帶黏貼於載台上，覆蓋上圓形光罩(Mask)，利用 Mask 決定了蕭基接面的大小(2.34 ML 樣品面積為 0.00785 cm2，3.3 ML 樣 品及 GaAs 基板樣品為 0.005024 cm2)。
(8). 置入蒸鍍機內，使用機械幫浦(mechanical pump)粗抽至真空度為 1x10-2 torr 後再利用擴散幫浦(diffusion pump)將真空度達到 2~3x10-6 torr 以下，開始以 熱蒸鍍的方式鍍上 Al。
詳細的歐姆接面的製備過程如下：
(1). 當樣品成功的蒸鍍上蕭基接面後，我們會在樣品的 GaAs 基板背面點上約 3 個高純度的銦球(In ball)。
(2). 將其送入高溫 300 ℃的爐管裡加熱，使 In ball 與基板的黏合性增加，透過電 性量測確保兩 In ball 間的電阻值小於 10 Ω，有良好的歐姆特性。
(3). 再將其與一表面有覆蓋一層均勻度很高的熔融狀 In 薄膜之矽基板相連接後 即完成電性量測所需要的樣品備製。
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圖 2-2 α-step 膜厚量測原理 圖 2-1 PL 系統架構圖
PC
鎖相放大器
(測微小交流訊號)
光偵測器
分光儀 Laser
衰減片
(降雷射功率) Chopper (成方波)
聚焦透鏡 Long-pass filter
(濾掉干擾雷射光)
真空冷卻
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圖 2-3 量子點樣品結構及所對應之能帶圖
圖 2-4 砷化鎵樣品結構示意圖
Ec
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第三章 基本特性量測
本章節將先針對主要研究的三片樣品做基本特性介紹，樣品分別為 2.34ML
本章節將先針對主要研究的三片樣品做基本特性介紹，樣品分別為 2.34ML