光激發螢光量測系統(PL)

當物體受到光、熱或化學作用的激發後，發射出沒有熱的光，這 一現象通常稱發光。當物體受到光激發後，物體中的電子達到激發態 時，當它回復到原有的狀態時，多餘的能量可以光的形式輻射出來；

如此用光激發物體而發光稱為「光激發螢光」(photoluminescence, PL)；具體而言，當物體吸收了紫外光或者短波的能量，它能發射出

在研究上有許多的非破壞性檢測法，主要是基於在不破壞樣品的 前提下，對半導體材料的能階、激子、以及各種深淺雜質能階等特性 進行研究，而PL 是一種透過雷射光源激發晶體內部，使之發出螢光 的一種非破壞性檢測技術。PL 量測是把一個樣品經由能量高於樣品 能隙的外來光源的激發，使得原本在價帶的電子，有機會躍遷到更高 能階；因此，在原本的價帶便留下一個電洞，而形成電子-電洞對，

這個電子-電洞對，如果以輻射耦合的方式結合，就可以放出一個光 子。

本實驗室建立了一套低溫光致發光量測系統主要構造包含了分 光儀、雷射、偵測器（PMT）、鎖相放大器、透鏡組。這套量測系統 可以在低溫（20 K）及常溫（300 K）之間透過量測光譜的峰值位置，

半高寬及發光強度隨溫度變化的情形，來檢測樣品的品質及發光的波 長。藉由低溫系(cryostat)使樣品的環境保持在低溫狀態下，再進行低 溫光致發光的量測，目的是用來冷卻試片。經由分析實驗紀錄的結 果，可以明白成長 III-V 族量子井的物理特性。主要是用來將雷射光 束聚焦並且激發出螢光，且運用光致發光的光譜來探討內部載子躍遷 的機制。依實驗設計之需要，我們所使用到量測儀器設備有：

1. 固態雷射(solid-state laser) : 此雷射設備目的是用來激發樣品發 光。波長為532 nm，最大輸出功率為 1W，穩定度在 1.9%以內，

RMS 平均雜訊為 0.7%，驅動電流為 6 安培，並依不同激發功率需

要使用適當的衰減片(filter)來降低雷射的輸出功率。

2. 分光儀(monochromator) :其焦距長度為 27.5 cm，內部裝置三塊光 柵，其選擇是依據實驗所量測的波長範圍而定，而本實驗皆屬長 波長範圍，此儀器的型號為 ARC Spectro-275，因此使用的光柵為 600 groove/mm (BLZ=1000nm)。

3. 光遮斷器(chopper) :，其目的在於使雷射激發光源調制成方波訊 號。本實驗研究選擇的葉片規格為 7/5 孔，頻率為 80 HZ，型號為 NEW FOCUS 3501。

4. 光偵測器(photodetector) : 其在常溫 300K 的適用波長範圍為 800nm 至 1800 nm 之間的砷化銦鎵(InGaAs)光偵測器。此儀器是由 Electro-Optical Systems 公司所生產。

5. 衰減滤波片組(Variable Neural Dnsity Filter) :主要是利用衰減片來 調整入射雷射功率，以符合我們實驗設計中的輸入功率。

6. 高通濾光片(Long-pass filter): 其目的為濾掉雷射光，避免使雷射光 進入光檢測器中，而實驗中所使用的是695 nm 的 long-pass filter。

7. 鎖相放大器(Lock-in Amplifier) : 其目的在於測量微小的交流訊 號，此儀器的型號為 STANDFORD RESEARCH SYSTEM SR850，

其參考頻率限制在 105kHZ 以下，參考頻率的電壓必須在 400mV 以上。

8. 聚光透鏡(Focus Lens):雷射光將藉由聚光透鏡聚焦在我們實驗的 樣品上。

9. 溫控裝置:因研究論文實驗中主要是要量測樣品低溫與變溫之光學

(chamber)、機械幫浦(mechanical pump)、和型號為 Neocera LTC-11 的溫控器(temperature controller)。在降溫時利用機械幫浦將真空腔 體抽至粗真空(10 torr)避免水氣凝結造成溫度無法下降，並再使用 氦氣作為冷媒的壓縮機降溫。

−3

如圖3.5 所示，係整個 PL 量測系統之架構圖。固態雷射(solid-state laser)發射出波長為 532 nm 的雷射光最大輸出功率為 1 W，視實驗設 計所需要之不同功率經由衰減片(filter)去降低雷射輸出功率；並且使 雷射光通過光遮斷器來進行調變，透過光遮斷器的頻率送至鎖相放大 器作為參考頻率，經過光遮斷器的雷射光經由第一面透鏡聚焦在樣品 上對樣品進行激發(excitation)。樣品被激發所放射的螢光再經由第二 片透鏡聚焦在分光儀的狹縫中進行分光。由於，螢光相較於雷射光是 屬於非常微弱的光，我們必需在光進入狹縫前使用高通濾波鏡(695 nm)濾掉雷射光以避免其對訊號產生干擾；螢光會藉由分光儀背後的 狹縫發射出，再經由光偵測器去接收偵測到的訊號，並送至鎖相放大 器處理之後再將所測得之光譜圖與實驗數據傳回電腦。

Focus lens

Vacuum and cooling system

VNDF

InGaAs photodetector

Monochromator

Laser 532nm 1.3W

Ref. Signal Chopper

GPIB Interface

Lock-in Amplifier

Multi-meter

圖 3.5 PL 系統架構圖

第 四 章 實驗結果與討論

首先，我們利用photoluminescence(PL)系統量測摻雜不同成份元素及其 含量的量子井樣品，並予以分析與討論；量測之樣品條件依長晶日誌所記 載參數及實驗模擬後數據整理如表4.1 所示；並且利用低溫的激發強度變化 (power dependence)與固定激發強度而變化溫度(temperature dependence)的 兩種量測技術對樣品的特性作進一步的探討。

表4.1 樣品長晶條件表

編號 量子井結構(6 nm QW×3) 氮含量 銻含量 SampleA InGaAs/GaAs 0% 0%

SampleB InGaAsN/GaAs 1% 0%

SampleC InGaAsNSb/GaAs 1% 29%

SampleD InGaAsNSb/GaAs 1% 32%

4.1 含氮與不含氮樣品的 PL 光譜比較比較

圖4.1 (a)為樣品A與樣品B於40K溫度下及激發功率為10 mW時的PL光譜 圖、圖4.1 (b)為樣品A與樣品B於300 K溫度下及激發功率為10 mW時的PL光 譜圖、圖4.1 (c)為樣品A與樣品B於40K溫度下及激發功率為500 mW時的PL 光譜圖、圖4.1 (d)為樣品A與樣品B於300K溫度下及激發功率為500 mW時的 PL光譜圖。從圖中可以清楚發現，當我們加入少許的氮於量子井中會造成 PL強度增強，而且其發光波長產生紅位移(red shift)的現象；對照BAC理論，

我們可以判定N摻入量子井後，樣品結構確實能減少部分壓縮應力造成量子 能階下降而形成紅位移使得發光波長有紅位移的現象，這與在一般的物理 特性預期上大不相同，但也因此InGaAsN才有機會發光於長波長。

由上述的討論，我們從InGaAs1-xNx樣品中發現一特別的特性，就是其 加入氮後在發現其發光率竟變得比不含氮的樣品來的明顯地好；但在 Miguel-Sanchez[24]等學者所測量出的不同氮含量下InGaAsN 光激螢光光 譜中，當氮含量微量增加發光強度逐漸降低，且波形逐漸向兩旁擴散，表 示發光效率變差，而發光波長會逐漸往長波長移動，顯示了氮原子對能帶 間隙的影響極大；因此，這其中對於氮的含量多寡加於量子井中時，其發 光特徵仍然有部分值得我們針對這些樣品作跟更深入的探討分析。

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700

PL Intensity (a.u.)

W avelength (nm )

smaple A smaple B T = 40 K

圖4.1(a)樣品 A 與 B 於 40 K 下激發功率為 10 mW 的 PL 光譜圖

800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 0.000

PL Intensity (a.u.)

Wavelength (nm)

Sample A Sample B

圖4.1(b)樣品 A 與 B 於 300 K 下激發功率為 10 mW 時 PL 光譜圖

800 1000 1200 1400 1600 1800

PL Intensity (a.u.)

W avelength (nm )

Sample A Sample B

圖4.1(c)樣品 A 與 B 於 40 K 下激發功率為 500 mW 時的 PL 光譜圖

800 1000 1200 1400 1600 1800

0.000

PL Intensity (a.u.)

W avelength (nm )

Sample A Sample B

圖4.1(d)樣品 A 與 B 於 300 K 下及激發功率為 500 mW 時 PL 光譜圖

圖4.2 (a)與(b)各為樣品A與B升至300K之PL隨溫度變化關係圖，其雷射 功率為10 mW。由圖中可發現，樣品的PL強度隨溫度上升而減弱，而且發 光波長也會有些微紅位移。由於量子井的寬度約為6 nm，所以理論上不應 該有激發態能階存在，而在圖中的兩個光譜特徵，對發光波長隨溫度的變 化而言短波長者較沒有影響，但是長波長者隨溫度變化有很大的紅位移現 象。因此，我們可以推估長波長應該是量子井所發出來的光，短波長應該 是在阻擋層之間的覆蓋層(cap layer)所形成的位能井發光。

而在樣品B隨溫度變化的PL圖中在低溫時有一個更長波長的尖峰產 生，但隨著溫度上升到80 K後，其發光強度驟然下降，這可能是加入氮造 成一些晶格不匹配而產生的缺陷能階，在成長InGaAsN 量子井結構時，我 們通常只會使用少量的氮，因為氮成分過多時長晶品質會相當差。從文獻 得知至目前為止，用來發光在1.3 μm的InGaAsN 量子井中，氮含量皆不超 過2%[25]。所以在高溫時，缺陷能階因基態中的電子的躍遷至缺陷能階距 離較近，產生的能量較低，因此多半形成聲子的形式；當溫度降至夠低，

基態的能階向上抬升因此讓電子經由基態能階躍遷至缺陷能階使得間格變 大而增加發光能量，所以才能形成光子的形式而被量測到。

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600

PL Intensity (a.u.)

Wavelength (nm)

PL Intensity (a.u.)

W a v e le n g th (n m )

4.2 含銻與不含銻樣品的 PL 光譜比較

圖4.3(a)為樣品 B 與樣品 C 於 20 K 溫度下及激發功率為 10 mW 時的 PL 光譜圖、圖 4.3 (b)為樣品 B 與樣品 C 於 300 K 溫度下及激發功率為 10 mW 時的PL 光譜圖、圖 4.3 (c)為樣品 B 與樣品 C 於 20 K 溫度下及激發功率為 500 mW 時的 PL 光譜圖、圖 4.3 (d)為樣品 B 與樣品 C 於 300 K 溫度下及激 發功率為500 mW 時的 PL 光譜圖。理論上將銻加入量子井中目的是要有效 降低磊晶時表面能量，保持介面穩定平整改善晶格品質，這個現象我們稱 為表面活化效應(surfactant effect)[25，26]。

因此，隨著銻加入至量子井中，晶格常數變大能隙變小，在300K 時樣 品的發光波長並沒有太大的變化，但當溫度降至40K 後，樣品 C 的 PL 光 譜中有一發光波長約在 1300 nm，而且其發光強度遠勝於在發光波長約在 1200 nm，而且其半高全寬也比較窄，這個光譜特徵尖峰來自於含銻的量子 井所貢獻。由於InSb 的晶格常數比 InN 和 InAs 大上許多，量子井會因為晶 格常數增加而造成InGaAsN 層壓縮應力增加，使得量子井的發光波長應該 會有藍位移現象，但是從圖4.3(b)中並未發現，我們推估應是加入銻後因壓 縮應力太大而造成量子井應力有部分鬆弛(relax)，所以才會形成一較長的發 光波長。

圖4.4(a)與(b)為樣品 C 升至 300 K 之 PL 隨溫度變化關係圖，其雷射功 率各為10 mW 與 500 mW。由圖中可發現，當溫度在 300 K 時，我們只會 量測到1200 nm 的發光波長，隨著溫度降低覆蓋層(cap layer)與含銻的量子 井發光強度開始增加而且其發光強度比原本的量子井發光強度還強。而比 較樣品B 與 C 在低溫的 PL 光譜，可以發現樣品 B 中在 1300 nm 也有一缺 陷能階發光，但在樣品C 也是有一樣的現象。不同的是，在樣品 B 中缺陷 能階隨溫度變化造成紅位移顯著，使得電子躍遷轉換成光子的效率降低而 變成聲子。

在樣品C 中，我們可以發現發光波長為 1300 nm 能階，其半高全寬遠

在樣品C 中，我們可以發現發光波長為 1300 nm 能階，其半高全寬遠