近年我們實驗室嘗試著將光性與電性量測作結合，在進行電性量測時，加入光 激發的條件，進一步探討量子點的載子侷限及躍遷特性。在之前的研究中[26]，曾經 使用過波長為532 nm 的綠光雷射作為激發光源，來進行光激發的電性量測。但是由 於此波段光源的能量超過了GaAs 的能隙大小，會造成樣品中整體背景濃度的抬升，
反而使得量子點的訊號不明顯。
在本章中，我們利用波長約為 940 nm 的紅外光 LED 作為激發光源，能量小於 GaAs 的能障大小，因此光激發作用的區域可以被限制在 InAs/InGaAs DWELL 結構 中，實驗裝置如圖5-1 所示。
5-1 光激發之量子點訊號分析
5-1-1 光激發量子點訊號之改變
首先，我們將量子點在光激發下電性量測發生的行為，如圖5-2，作一個簡述：
當激發光照進量子點樣品時，會使得量子點中產生電子電動對，在沒有外加偏壓時，
電子會掉回量子點導帶的底部，進行電子電洞對的重新複合。進行電性量測時，我 們加逆向偏壓使量子點位於空乏區內，在空乏區內被激發的量子點電子會有兩種路 徑：1.掉進量子點底部，進行重新複合；2.被空乏區電場影響，載子從量子點中躍遷 出來。由於我們是在持續進行光激發的情形下，電子會一直產生、複合而達到平衡，
而淨效應會使額外電子填入量子點中，也會持續有載子躍遷出量子點。
我們對於3.3 ML InAs 量子點進行光激發的 CV 量測，我們從有照光、沒照光的 CV 及縱深圖的比較，如圖 5-3 (a) (b)，可以發現以下幾個現象。首先，在小偏壓為 量測到GaAs 的區域，我們可以發現照光後的 CV 沒有明顯變化，可以證實 GaAs 的 確不會被激發。此外，在量子點的 CV 平台有明顯變寬、電容值增加的現象。縱深
圖更可以清楚看出，量子點被光激發後載子有增加、並且往高能階填入。以上符合
5-1-3 3.06 ML 及 3.3 ML 光激發電性量測之比較
在 3-1 及 3-2 曾經說明，由於應力鬆弛產生的差排缺陷在 3.3 ML 中較多，會導 致量子點底層空乏區的寬度比3.06 ML 中寬了很多，從光激發電性量測的結果比較，
也可以得到印證。
從照光後電流的增加量，可以比較出兩片樣品的差異。圖5-9 中，我們比較兩片 樣品，在照光下電流扣掉未照光電流對電壓的作圖，可以發現在 3.06 ML 樣品中電 流在光激發後的增加量，比3.3 ML 樣品來得大。照光會使得量子點中電子電洞對分 離，從量子點跑出的載子會造成額外的電流增加。也因為底層空乏區的寬度的不同，
使量子點跑出的載子量在3.06 ML 樣品中較大，照光增加的電流也較大。
我們也試著比較在3.3 ML 及 3.06 ML 光激發的 CV 和縱深圖，如圖 5-3 (a) (b) 和圖5-10 (a) (b)，可以看到在照光之後，量子點平台寬度及電容值抬升的程度在 3.3 ML 中比較明顯。縱深圖中，可以更清楚看到量子點濃度在 3.3 ML 樣品中增加非常 明顯；在 3.06 ML 樣品中只有些微改變。量子點底層空乏區的寬度較大，會使得量 子點侷限的能力較強。因此3.3 ML 樣品在光激發之後，載子可以填往更高的能階，
在3.06 ML 樣品中則只會多填入少許。
在 5-1-2 中因照光缺陷載子速度增加的現象，我們只有在 3.06 ML 樣品中觀察 到，但在缺陷較多的3.3 ML 樣品中卻沒有看到。這同樣歸因於空乏區寬度的不同，
3.3 ML 樣品照光後從量子點掃出的載子量比較少，使得導帶濃度增加的量不足以使 載子躍遷速度達到我們的量測頻率所致。
圖5-1 光激發電性量測裝置示意圖
圖5-2 光激發下載子躍遷機制示意圖
-4 -3 -2 -1 0 200
300 400 500
f = 10 kHz
3.3 ML 200 K
C (pF )
V (V)
Dark Light
圖5-3 (a) 3.3 ML 樣品照光與未照光之 200 K 低頻 C-V 圖
-0.35 -0.30 -0.25 -0.20 -0.15 -0.10 1E16
1E17
f = 10 kHz
Nd(cm^-3)
depth(um)
Dark Light 3.3 ML 200K
圖5-3 (b) 3.3 ML 樣品照光與未照光之 200 K 低頻縱深圖
-4 -3 -2 -1 0
600 3.3 ML Light
C (pF )
102 103 104 105 106 107 100
1000
3.3 ML 78K
G/f (10
-12)
f (Hz)
F I
Bias: -2.5 V
圖5-5 (a) 3.3 ML 樣品照光與未照光 -2.5 V 低溫 G-F 圖
101 102 103 104 105 106 107 108 10
100 1000
10000 3.3 ML 78K
G/f (1 0
-12)
f (Hz)
L O
Bias: -3 V
圖5-5 (b) 3.3 ML 樣品照光與未照光-3 V 低溫 G-F 圖
圖5-6 3.06 ML 樣品高溫 370 K 低頻 C-V 圖
-4 -3 -2 -1 0
200 300 400 500
600 3.06 ML Dark
C (pF )
V (V)
100 Hz 175 Hz 300 Hz 500 Hz 1 kHz 50 kHz
T = 370 K
-4 -3 -2 -1 0
200 300 400
500 3.06 ML 78K
C (pF )
V (V)
Dark Light f = 1 kHz
圖5-7 3.06 ML 樣品照光與未照光之低頻低溫 C-V 圖
4.0
Light-Dark current
Δ I ( μ A)
-4 -3 -2 -1 0 200
300 400 500
600 3.06 ML 200 K
C (pF )
V (V)
Dark Light
f = 5 kHz
圖5-10 (a) 3.06 ML 樣品照光與未照光之 200 K 低頻 C-V 圖
-0.2 -0.1
1E17 2E17 3E17 4E17 5E17
f = 5 kHz
N d(cm^-3)
depth(um)
Dark Light 3.06 ML 200K
圖5-10 (b) 3.06 ML 樣品照光與未照光之 200 K 低頻縱深圖
第六章 結論
本論文對成長厚度為3.06 及 3.3 ML 的兩個樣品進行光性及電性分析，發現在覆 蓋一層 InGaAs 應力緩衝層於 InAs 量子點上之後，應力鬆弛對於 InAs/InGaAs 量子 點特性產生了很大的影響。在PL 頻譜中，可以看到應力鬆弛使得兩個樣品的量子點 都發生了主要峰值藍移、PL 強度下降以及多出一個低能量的訊號。而在 C-V 量測和 C-F 量測中發現兩個樣品特性上的不同，在 3.3 ML 樣品中量子點的載子躍遷速率比 在3.06 ML 樣品中慢了很多。
從DLTS 及 TEM 可以發現兩個樣品中缺陷特性相近，都分布於量子點內部及底 層。用DLTS 估算出樣品中的缺陷濃度，發現在 3.3 ML 樣品中的缺陷濃度大了很多，
我們認為這是造成兩片樣品量子點載子躍遷速率不同的主因。在對兩個樣品作 C-V 模擬的比較之後可以知道，缺陷造成了底層GaAs 背景濃度的下降，而使量子點下方 空乏區寬度增加，造成了載子躍遷速率的不同。
我們可以利用 3.06 ML 樣品的 TEM 圖，來解釋量子點在 PL 頻譜上發生藍移以 及多出一個低能量訊號的原因。我們認為這是因為 InAs 量子點在蓋了 InGaAs 緩衝 層之後，應力鬆弛的方式會分成兩種：分別為將In 向外擴散及產生差排缺陷，使得 樣品內存在著兩群能量不同的量子點。而我們進一步觀察 3.06 ML 樣品 PL 變溫頻 譜，可以發現當溫度升到 140 K 時，有高能量量子點半高寬下降以及低能量量子點 積分強度的上升的異常現象。在3.3 ML 樣品的 C-F 低溫量測，發現電子躍遷速度在 溫度升高到 140 K 時，有不尋常的下降之現象。這都是由於兩群量子點間產生載子 轉移效應所造成。
此外，我們利用能量範圍在可以使量子點中載子被激發，而GaAs 不會吸收的激 發光照射我們的樣品，觀察在光激發下的量子躍遷行為。在3.3 ML 樣品的 C-V 量測 上，可以看到在光照射下電容平台會跟著增加；由C-F 量測，量子點的載子躍遷速 度在光照射之後明顯變快。這是由於在光激發下，有更多的載子注入至量子點中，
而導帶中的載子濃度也有所增加。比較兩片樣品在光激發下量子點內載子侷限的增 加量，可以再次印證量子點底層空乏區寬度的不同。最後，我們在3.06 ML 樣品中，
發現了在大偏壓的低頻C-V 中，有著電容值明顯變大的現象。我們認為這是由於光 激發使得我們缺陷載子躍遷的速率增加，使我們能調變到的緣故。
參考文獻
[1] P. Hawrylak, Phys. Rev. B 60, 5597 (1999).
[2] U. Banin, Y. Cao, D. Katz, O. Millo, Nature 400, 542 (1999).
[3] H. Shoji, Y. Nakata, K. Mukai, Y. Sugiyama, M. Sugawara, N. Yokoyama, and H.
Ishikawa, Appl. Phys. Lett. 71, 193 (1997).
[4] S. Kim, H. Mohseni, M. Erdtmann, E Michel, C. Jelen, and M. Razeghi, Appl. Phys.
Lett. 73, 963 (1998).
[5] P. Alivisatos, Nature Biotechnology, 22, 47 - 52 (2004).
[6] D. Bimberg, M. Grundmann, and N. N. Ledentsov, “Quantum Dot Heterostructures,”
(Wiley, 1999)
[7] F. C. Frank, and J. H. van der Merwe, Proc. Roy. Soc. London A, vol.198, pp.205 (1949).
[8] M.Volmer, A. Weber, and Z. Phys. Chen., vol. 119, pp.277 (1926).
[9] I. N. Stranski, and L. Von Krastanov, Akad. Wiss Lit. Main Math. Natur. K1. Iib, vol.
146, pp.797 (1939).
[10]Fariba Ferdos, Shumin Wang, Yongqiang Wei, and Anders Larsson, Appl. Phys. Lett.
81, 1195 (2002).
[11] V. M. Ustinov,N. A. Maleev,A. E. Zhukov, A.R. Kovsh, A. Yu. Egorov, A. V. Lunev, B.
V. Volovil, I. L. Krestnikov, Yu. G. Musikhin, N. A. Bert, P.S. Kop’ev, Zh. I. Alferov, N.
N. Ledentsov and D. Bimberg, Appl. Phys. Lett. vol. 74,pp. 2815-2817 (1999).
[12] M. V. Maximov et al., Physica E, vol.7, pp.326-330 (2000).
[13] D.L. Losee, J. Appl. Phys. 46, 2204 (1975).
[14] G. Vicent, D. Bois, P. Pinard, J. Appl. Phys. 46, 5173 (1975).
[15] D.V. Lang, , J. Appl. Phys. 45, 3023 (1974).
[16] Dieter K. Schroder, “Semiconductor Material and Device Characterization”-2nd ed.
(New York :Wiley 1998).
[17] 陳宜屏,交通大學電子物理研究所碩士論文, ”氮含量與砷化銦厚度對砷化銦/砷
[20] O. Engstro¨m, M. Kaniewska, and M. Kaczmarczyk, Appl. Phys. Lett. 95, 013104 (2009).
[21] Chris G. Van de Walle, Phys. Rev. B 39, 1871 (1989).
[22] 徐榕鎂, 交通大學電子物理研究所碩士論文, ”應力鬆弛引發之缺陷 InAs/InGaAs 量子躍遷機制” (2008).
[23] A. Markus, J.X. Chen, C. Paranthoen, and A. Fiore, , Appl. Phys. Lett. 82, 1818 (2003).
[24] Y.C. Zhang, C.J. Huang, F.Q. Liu, B. Xu, D. Ding, W.H. Jiang, Y.F. Li, X.L. Ye, J. Wu, Y.H. Chen and Z.G. Wang. J. Crystal Growth 219 (2000).
[25] Y. I. Mazur, X. Wang, Z. M. Wang, G. J. Salamo, M. Xiao, and H. Kissel, Appl. Phys.
Lett. 81, 2469 (2002).
[26] 傅昱翔, 交通大學電子物理研究所碩士論文, ” InAs 量子點中缺陷效應影響下之 量子躍遷機制” (2009).