為了在研究中得到更多研究樣品照光後的資訊，本章節開始我們將進入本 論文的主要研究重點；以具有連續發光波段(500 nm~2000 nm)的鹵素燈(Halogen lamp)為光源，在樣品上進行光激發 CV 量測，我們藉由照光後的電容值扣掉未 照光 DARK 情形下的電容值，進而可以得到光電容(Photo-Capacitance)值隨不同 照光波段下的圖，並且針對我們在光電容圖上所看到的特殊現象，比較 2.34 ML 樣品與 3.3 ML 樣品兩片樣品的差異，進而由各別的內部特性，去探討為何會有 如此現象。
6-1 光電容原理簡介
當樣品受一連續發光波段光源激發時，我們藉由各照光光源下所得到電容值 減掉 dark 情形下的電容值，因而得到隨激發光源變化的光電容圖。假設我們以 一能量為hν 的激發光源做為激發，在能帶圖將產生等量的電子電洞對，而樣品 中的某一個能態，如量子點基態，由於受到光激發將使電子由低能態躍遷到量子 點以外，而相同的情況也可以想像在電洞被激發出去，當等量的電子與電洞數目 同時貢獻在電極上，那麼此時將形成光電流(Photo-Current)訊號；當電子電洞沒 貢獻在電極上而是產生覆合(recombination)時，此時將產生 PL 訊號；而當所被 激發的電子數目扣除貢獻在光電流部分還有貢獻在 PL 上的部分，那麼最後剩下 的淨電子量將會造成空乏區位置的內縮，如圖 6-1 所示，因而使電容值變大，即 形成光電容(Photo-Capacitance)值，其中淨電子數量將與電容值前後變化量成正 比。
6-2 量子點樣品之光電容量測
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我們對 2.34 ML 樣品所打的激發光波段範圍為 805 nm~1771nm，其低溫 78 K 變電壓光電容圖形如圖 6-2 所示，由圖上可以看到整個光電容的趨勢大致上可分 為三大區域，第一部分為在打光 0.8 eV 附近的區域有一包光電容值的抬升，接 著在 1 eV 時下凹[30]，第二部分是在過了 0.8 eV 後約在 1 eV 到 1.3 eV 間有一個 段光電容值幾乎為零的區域，而第三部分是在打光 1.3 eV 後光電容值會開始呈 現一個較劇烈的抬升。而相同的情況也發生在 3.3 ML 樣品上 ，如圖 6-3 所示；
而當我們將樣品量測的溫度逐漸提高時，如圖 6-4、6-5 所示，會發現整體光電 容趨勢大致上是不變的，但是整個光電容值會下降許多，根據前面所提到的光電 容原理，我們可以說該光電容值下降現象是由於在高溫下電洞跑出量子點的數量 比起低溫時多了許多，因而淨電子數量就會下降，整個光電容值也就下降。
光電容圖上三個區域的來源：在 0.8 eV 附近這包的抬升，我們覺得是由於 之前 DLTS 上所量到的 EL2 缺陷[33]所照成的；當激發光源能量在 0.8 eV 附近 時，由於 EL2 缺陷受到光的的激發，使得缺陷上的電子往外躍遷而造成光電容 值；在 1 eV 到 1.3 eV 間的訊號是由於此波段下正好為樣品 PL 光譜發光位置，
如圖圖 5-6 所示，大部分的電子都貢獻到 PL 訊號去了，因而能貢獻在光電容上 的電子就很少了；而最後一部分是在 1.3 eV 時有一明顯的較大光電容值的現，
目前猜測是由於樣品內仍存在一個更深的高濃度缺陷，屬於純鎵空缺(Ga vacancy)，此高濃度缺陷的在被光激發後會照成大量的電子貢獻在光電容上。
6-3 比較 2.34 ML 樣品與 3.3 ML 樣品
比較 2.34 ML 樣品，如圖 6-2 與 3.3 ML 樣品，如圖 6-3，雖然在趨勢上同 如上一節所解釋的，都有一樣的現象，但是此處令我們很納悶的點是，為何在光 電容值上兩片樣品會有如此大的不同。在 2.34 ML 樣品我們看到其電容值的抬升 是非常明顯的，低溫 78 K 下 1.3 eV 這包訊號最大的光電容值達 300 (pF)，訊號 小一點的 0.8 eV 這包訊號接近 50 (pF)，然而我們將 3.3 ML 樣品拿來做了比較，
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卻發現 3.3 ML 樣品低溫 78 K 整體最大的電容值只有 15 (pF)，跟 2.34 ML 樣品 比起來有了好幾時倍的差距，這個特殊的現象讓我們懷疑兩片樣品是否在內部特 性有其特別不一樣的地方才造成此結果。
在先前的研究中曾提到 3.3 ML 樣品是一片應力鬆弛樣品，在成長過程中會 造就有別於 2.34 ML fine QD 樣品，首先我們先簡單介紹一下其成長過程：當 InAs 磊晶厚度超過一臨界厚度約 3 ML 此時 InAs 量子點已產生非常大壓縮應力，然 而還會再覆蓋上一層 In0.15Ga0.85As QW，如圖 6-6(a)，此步驟將造成晶格不匹配 使得部分體積較大的 InAs 量子產生差排錯位(misfit dislocation)缺陷以釋放應力，
之後再長上的低溫 GaAs 時失去了原先穩固量子點的用意，反而施予 InAs 量子 點更大的應力，如圖 6-6 (b)，造成沒有利用產生缺陷來釋放應力的另一部份 InAs 量子點開始與缺陷量子點產生銦鎵原子交換(In/Ga intermixing)的過程，將銦原子 往應力較低的缺陷量子點聚集 [31,32]，達到應力減緩的效果，而此時的長晶溫 度(500~550 ℃)也有利於銦鎵原子交換。在上述的過程中有提到銦鎵原子會交換，
因而可以合理的懷疑鎵空缺(Ga vacancy, VGa)在這個過程中將會變少，並且由銦 所佔據形成 InGa，而我們在上一小節有提到光電容訊號上 0.8 eV 這包訊號由 EL2 (AsGa)缺陷[33]所造成，然而此時由於銦鎵交換深的關係，砷(As)佔據鎵空缺(Ga vacancy, VGa)的量即下降，所以 EL2 (AsGa)缺陷量即變少，即造成 0.8 eV 這包訊 號的減弱，而 1.3 eV 這包訊號為純鎵空缺(Ga vacancy, VGa)缺陷所造成的，一旦 鎵空缺(Ga vacancy, VGa)量下降，1.3 eV 這包訊號也會減落。
綜合上述所有結果，我們知道了 3.3 ML 應力鬆弛樣品之所以在光電容值上 如此的小，主要是來至於特定缺陷的缺乏，因為銦鎵交換過程將所需的缺陷都取 代掉了，而相反的 2.34 ML 樣品未達應力鬆弛，仍具有這些所需的缺陷， 因而 在光電容值上就會有大量的貢獻。
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圖 6-1 光激發下電性量測時載子躍遷機制與能帶圖
0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
0 50 100 150 200 250 300 350
V = -3.5 V V = -3 V V = -2 V V = -1 V
MA045 (2.34 ML) T = 78 K
f = 100k Hz
Photo capacitance (pF)
Bias (V)
圖 6-2 2.34 ML 樣品低溫 78 K 光電容圖
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MA043 (3.3 ML) T = 78 K
f = 100k Hz
Photo capacitance (pF)
Energy (eV)
MA045 (2.34 ML) V = -2 V
f = 100k Hz
Photo capacitance (pF)
Energy (eV)
圖 6-4 2.34 ML 樣品定偏壓變溫光電容圖
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0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
0 10 20 30 40
T = 80 K T = 200 K T = 300 K
MA043 (3.3 ML) V = -2 V
f = 100k Hz
Photo capacitance (pF)
Energy (eV)
圖 6-5 3.3 ML 樣品定偏壓變溫光電容圖
圖 6-6 厚度 3ML 以上的量子點長晶過程產生銦鎵交換
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