光激發下之量子點電性量測

在本章，我們想融合本實驗室的光性量測與電性量測，利用在量 測電性時，加入光激發此一條件，以探討在光激發時量測的電性上面 載子躍遷的變化，我們利用雷射照設至樣品的蕭基接面上，使用的雷 射最大功率為30mW，再利用衰減片使強度減弱，如圖 5-1 所示，強 度的變化會以ND 表示，數字越大代表功率越小

5-1 CV 量測分析

圖5-2 為在照光與不照光下低溫量測的 CV 與縱深圖，先由最小 功率照光與不照光量測來比較，發現在兩處有電容值變大的現象，一 個是QD 平台區，另一個在-3.5V 之後，已是 QD 的末端，應為缺陷 能階，先從QD 平台區看起，照光時平台的位置會因電容值增加而延 伸，在改變逆向偏壓量測時便會提早量測到，所以從縱深圖可以看 到，QD 峰值有往前移動的跡象，至於峰值濃度減少，可以歸因於整 體平台區電容值增加，所以轉縱深圖時峰值相對濃度下降，我們觀察 更多強度的變化，可以看到在照光下量測，隨著雷射強度增加，整體 電容值增加更大，這是因為在雷射強度不斷增加下，在TOP GaAs 層 的電子電洞對分離的數量越大，所以掃到的電子數目便會激增，再來 看後面缺陷能階的電容值，同樣的也有增加的情況，這是令人感到訝 異的情況，理論上如此強度的雷射是無法照射至QD 底部的缺陷，所

以是否有其他的物理機制，我們在後面再行討論

5-2 CF&G/F-F 量測分析

由於 G/F-F 的峰值十分清楚，故直接由 G/F-F 圖看起即可，圖 5-3&

圖5-4 為不同雷射強度下大偏壓且變溫量測的 G/F-F 圖，同樣的先來 看不照光與ND5 比較，在低溫部分，本來強度低且不明顯的峰值，

在照光下量測其峰值會變明顯，但速度卻沒有增加，照理說QD 在灌 入更多的載子後，其量測到的載子躍遷速度應該增加，因為多餘的載 子會填入更高的能階去，從圖5-5&圖 5-6 更深入分析不同強度下的 雷射對QD 載子躍遷的影響，在 ND4 與 ND5，其峰值的強度固然增 加，但在頻率的變化不大，要在接下來更大的雷射功率，我們才看到 隨著峰值強度增加，其峰值的速度也跟著變快，到了ND1，此時的 雷射功率已太大，量測到的載子速度是否為QD 中躍遷出來，抑或是 電子電洞對解離後的載子已無法分辨，故在此不討論大功率下量測的 數據

我們將變溫的G/F-F 圖，將之峰值對應溫度做 ln(τ)對應溫度倒 數的作圖，如圖5-7，我們發現在-3.4 V 的照射雷射量測，載子跳出 速度變化較大，對於雷射功率的變化較敏感，而在-3.8 V 量測對於雷

與改變偏壓量測對載子從QD 跳出的速度非常相似，若改變偏壓量測 與改變雷射功率量測所出現的情況雷同，那我們就可以推論，改變不 同的雷射功率，便是量到不同的QD 能階，換句話說，對樣品進行照 射雷射的量測，其實便是改變了QD 中載子的分布，使 QD 中的載子 數量增加，而其機制如圖5-8 所示，當雷射照射至樣品時，許多載子 會被激發出來，在空乏區中會有多餘的載子在裡面，我們從半導體物 理的基本知識可知，在PN 接面，載子在空乏區的位置分佈會呈現自 然對數的分布，此時由於空乏區中的載子增加，此自然對數的分布會 更廣泛，所以多餘的載子必會被QD 抓住，填入更多的載子，故我們 加入逆向偏壓量測時，所量測到的載子能階應比未照射雷射時為多，

且若雷射功率足夠，便會量測到更高階的載子躍遷，這就和我們改變 偏壓量測的現象是相同的

Laser

-4 -3 -2 -1 0 400

600 800 1000 1200

C(pF)

Voltage(v)

Dark ND5 ND4 ND3

3.3ML QD 145 K 10khz

-0.10 -0.15 -0.20 -0.25 -0.30 -0.35 -0.40

1E16 1E17

3.3ML QD 145 K 10khz

N

(

)

X

(

)

Dark ND5 ND4 ND3

圖5-2 3.3 ML 樣品照射雷射下 CV 與縱深圖

10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷

10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0

Depletion region

Metal Semi-conductor

Dark

Laser

圖5-8 3.3 ML 樣品照射雷射後之模型

第六章 結論

3.3 ML QD 由於受到應力鬆弛產生缺陷引發載子空乏，使載子的 躍遷機制變為低溫穿遂，高溫熱激發的形式，本論文針對其載子躍遷 之現象進行更深入的探討。

由於基態CF 數據不足，無法利用理論曲線與數據擬合證明低溫 穿遂前看到的tunneling barrier height 即是高溫躍遷而上的活化能，故 理論模型在基態載子躍遷便缺乏證據，我們利用穿遂速率與電場間的 關係，並且對應ac 訊號的改變，量測出基態底部的 tunneling barrier height，得到 tunneling barrier height 與高溫活化能相等，也證明了基 態載子躍遷也符合低溫穿遂，高溫熱激發的模式

在高溫的-C-F 量測數據中，發現捕捉截面積(capture cross section) 對應偏壓的改變有數量級的變化，我們將其現象歸因於電子間的庫倫 排斥力(Coulomb repulsive force)，一個電子填入量子點約略會減少捕 捉截面積一個數量級。我們與正常的量子點作比較，發現應力鬆弛對 於量子點之捕捉截面積大約會減少兩個數量級，考慮到缺陷能階在空 間上位置處在量子點旁邊，推測捕捉截面積數量級減少是由於缺陷能

接著探討在低溫下，從 CF 的量測數據發現有溫度增加，但載子 躍遷速度變慢的現象，我們將其歸為兩群QD，利用改變 ac 訊號量 測，算出對應的tunneling barrier height，與 PL 數據對照，發現電性 上量測之兩群QD 訊號分別為鬆弛 QD 與少部份未鬆弛 QD，而在變 溫PL 中，鬆弛 QD 的訊號強度隨著溫度升高而快速減少，而未鬆弛 QD 之訊號強度減少幅度不大，故我們在變溫的 CF 量測中才會量測 到載子躍遷速度不增反減的現象，由此現象也說明了鬆弛樣品QD 之 均勻性不足，才會形成兩群QD

最後我們利用雷射照射樣品來量測電性，試圖將光性與電性結 合，由CV 發現照射雷射時量測，QD 平台電容值會增加，使逆向偏 壓提早接觸平台區，在縱深圖便會看到量子訊號往前移動且變矮的現 象，而在CF 上，照射雷射量測會使載子躍遷速率增加，發現其與改 變偏壓CF 量測十分相同，故推論對樣品照射雷射會改變空乏區載子 濃度，進而使QD 填入更多的載子，更多的載子會填置更高的能階，

也印證了在電性上量測到的現象

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