光激發螢光 PL(photoluminescence)量測與分析

第三章 TEM 及 PL 量測與分析

3.2 光激發螢光 PL(photoluminescence)量測與分析

功率為1.3W，可以利用衰減片來調變我們需要的量測功率，使用的光偵測器為InGaAs偵測器，其在室溫所能偵測的波長範圍為800nm到1800nm。圖3.4(a) 為室溫300K下的As、A7、A85、A9四片樣品PL圖，量子發光訊號波段約在 1230nm，我們使用功率高達1W對As樣品光激發，圖形中還是顯現極為低落的量子訊號，且訊號的範圍非常寬廣，從波長1000nm分布到1600nm，反應出N 的加入造成了嚴重的載子空乏，幾乎已經沒有量子訊號，這點可跟我們HRTEM 圖形所掃描到的dislocation吃載子來做印證。另外一點值得注意的是，As 樣品的InAs量子點厚度只有2.6ML，文獻上以及我們實驗室之前的研究顯示，

要成長到約3.3ML的InAs量子點厚度樣品才會因為晶格鬆弛產生缺陷，吃掉載子空乏量子訊號，由此我們可以推測，在InAs中掺入N這個元素，可以使晶格鬆弛提早發生。接著看其他三片樣品，發光波長幾乎沒有變動，雖然強度還是很低，但峰值強度有隨著熱退火溫度升高而增強的趨勢。半高寬方面一樣很寬，表示能量不集中。圖3.4(b)為低溫25K下的As、A7、A85、A9四片樣品 PL圖，我們ㄧ樣對As用較大功率的能量，看到他表現出來的行為雷同於室溫，

峰值低落與半高寬高，接著我們再看其他樣品，有隨著退火溫度上升訊號愈強的態勢，不一樣的是A85、A9樣品在波長850nm有一個相對於As、A7，有一個逐漸明顯的的訊號產生，這是GaAs本身塊材訊號，在波長1050nm地方的另ㄧ個訊號，我們猜測它可能是加入N後在價帶上方產生的deep level缺陷，但這並不是我們要討論的範圍。另外一個不一樣的地方是，A9的量子訊號已經超過深層能階的訊號。整體而言，As樣品經過退火後，量子訊號變的更明顯，

且退火溫度愈高強度愈強。圖3.5、3.6、及3.7分別為A7、A85、及A9在定功率下的變溫圖。

第四章

電性量測與分析

4-1 電流-電壓(IV)量測與分析

為了了解 Schottky contact 品質好壞，我們必須先針對樣品做 I-V 電流 -電壓量測。從順向偏壓的 I-V 量測可以得知樣品的 ideal factor、串聯電阻大小、以及 Schottky barrier height，判斷樣品結構是否形成良好的 Schottky 接面，另外也可得知反向偏壓對應的漏電流大小。根據Schottky 的電流公式： resistance)，n 為理想因子(ideal factor)，k 為波茲曼常數(Boltzmann’s constant)，

T 為溫度，V 為順向偏壓。由 n 的大小可以判斷 Schottky 特性的好壞，當 n

故我們只需將 C-V 曲線換算成 1/C²-V 即可斜率與截距得到摻雜載子濃度 N^d與斷載子從能階跳要出來所需要的 time constant。

4-2-2 導納頻譜量測基礎理論

或其他參數的計算上仍可用準平衡下的近似條件。

G^R(ω)= ₂ C-log(w)圖中反曲點（inflexion point）的位置 w 恰等於 wt/ 3。再考慮(4.9) 式，將 G/w 對 w 做一次微分為零，即 G/w 為最大值的位置，w 恰等於 w^t；而

取 n 型 GaAs 材料，γ_n =2.28×10²⁰cm⁻²S⁻¹K⁻²，

E^c - E^t = E^a即活化能(activation energy)。

σ ＝捕獲截面積(cross section) n

將 ln(τ_eT²)-1/T 做圖，從斜率就可得到活化能 E^a，從1 =0

T 曲線和縱軸的截距可以得到捕獲截面積(cross section)σ 。 _n

4-3 C-V、導納頻譜及DLTS的量測與分析

以下 as grown 樣品的量測是參照學長陳育志及黃任鋒的論文[32-33]，

圖 4-3(a)為 As 樣品在定頻變溫的電容-電壓，圖 4-3(b)為其轉換成載子縱深濃度分布圖，我們看到在溫度 350K，偏壓-1.5 到-3 區間有一緩慢變化的電容平台，對應到縱深圖在 X=-0.3μ m 有載子堆積的情形，表示高溫的時候載子有較高的能量跳出來，而在較低溫 280K 以下，濃度都很低，形成一段載子空乏區域，這個現象跟量子能階在愈低溫載子侷限能力愈好相反，且此間坐落於樣品結構 InAs 量子點區域，從 HRTEM 我們已經知道量子點區域產生許多的差排缺陷，且這個訊號要在很高的溫度下才會有反應，其時間常數比一般量子訊號要長很多，所以我們推斷量到的是缺陷載子隨溫度變化的情形，缺陷會改變能帶的結構，缺陷愈多的區域載子就會被空乏，空乏區就變很寬。

從變溫定頻C-V 量測可以看到缺陷載子隨溫度頻率的變化。

接著我們進一步的利用導納頻譜方法來對 As 樣品，針對在 C-V 圖上有頻率響應區的偏壓，也就是縱深載子堆積峰值區域做量測。圖 4-4(a)(b)為偏壓 -1.5V 的變溫 C-F 及 G-F 圖，C-F 圖上的兩個反曲點對應到 G-F 圖上兩個峰值。

大的峰值毫無疑問對應到縱深圖上缺陷載子堆積的訊號。隨著溫度愈高載子從缺陷能階跳出來的速度愈快，溫度高熱激發的關係，缺陷載子強度也愈來愈強。因為此偏壓是對應到量子點區域，且 PL 上還可看到強度很小的量子訊號，所以多了一包的小峰值訊號我們猜測是量子訊號，只是他的強度相對微弱，因為大部分都被空乏掉了，雖然在此偏壓對應到縱深圖上約 0.26µm 的地方沒有看到量子載子堆積，但我們從 G-F 圖上還是可以看到它的存在。接著我們再以更大的偏壓-2V 及-2.5V 量測，如圖 4-5(a)(b)及 4-6(a)(b)，跟-1.5V 偏壓不同的地方是，兩個偏壓的 G-F 上各只出現一個峰值，為缺陷載子所貢獻，微弱的量子訊號在此偏壓區間已不存在。我們由各偏壓 G-F 圖上不同溫度曲線的峰值，可得到所對應的電子放射率，畫成阿瑞尼士圖，如圖 4-7。

求得缺陷的活化能為 0.34eV ~ 0.41eV、量子訊號的活化能為 0.15eV。我捫將量子訊號及缺陷訊號畫成能帶圖來表示，如圖 4-8，我們大概估計缺陷能階存在於量子點旁的 GaAs 導帶下方約 0.38eV，量子訊號則存在於 GaAs 導帶下方 0.15eV 的位置，其為量子點基態所在位置。

我們接下來取偏壓-1.5V~-2V，做暫態電容 C-T 量測，如圖 4-9(a)，將其 dC(t)/dC(0)取對數座標對時間作圖，如圖 4-9 (b)非常近似於線性，顯示暫態電容為指數函數，且會飽和。我們將此缺陷和文獻上及實驗室學長所量測到的 misfit 缺陷畫在同一張圖比較，如圖 4-10，發現它們位處在同一條線上，可以確定是相同的來源，更加證實此缺陷為 misfit 缺陷。更值得注意的一個地方是，我們看到其他樣品的量子點厚度大約都在 3ML 以上，所以一般要讓量子點 relax 都要長到夠厚，而我們掺入氮的量子點厚度只有 2.6ML，

卻也 relax 產生缺陷，因此得到一個結論，加入 N 的確可以讓 QD 提早 relax。

我們再用 DLTS 儀器來量測分析，使用填充偏壓(filling pulse)和觸發電壓(trigger voltage)的差值為 0.5v ，分別為-1.5V~-2V、-2V~-2.5V、

-2.5V~-3V，如圖 4-11(a)(b)(c)，得到 0.21eV~0.32eV 的缺陷活化能。把從

導納頻譜，暫態電容及 DLTS 的圖畫在同一張圖上，如圖 4-12，發現他們在同一條線上，確定為同一個來源，至於活化能的差異是因為量測到的峰值所對應的溫度不同造成的。

接著我們針對 A7 樣品在頻率固定F=7KHz 變溫圖，如圖 4-13(a)(b)，我們看到在溫度 250K 偏壓-1V~-1.3V 以及偏壓-1.8V~-2V 間有兩個對應到縱深載子堆積的電容變化，根據 As 樣品的接續，以及 A7 在 PL 上的顯現來判斷，

前面那包較淺比較早掃到的是量子訊號，後面那包較深的是缺陷訊號，兩個訊號同時存在著，隨著溫度升高熱激發，缺陷載子訊號增強，峰值高度的平移，是因為在低溫時要用較大的 D.C bias，Fermi level 往下移動越過 defect level 後，才能將缺陷載子趕出來。

我們對縱深圖上量子訊號存在的區域做 G-F 量測，偏壓為-1V 及-1.2V，

如圖 4-14(a)(b)，再畫成阿瑞尼士圖，如圖 4-15，得到 0.14eV 的活化能。

同樣的對缺陷存在的區域，-1.8V 及-2V，如圖 4-16(a)(b)，轉成阿瑞尼士圖，

如圖 4-17，得到 0.25ev 的活化能。接下來我們在-1.8V 的地方做 G-T 量測，

得到 0.29eV 的活化能，如圖 4-18(a)(b)，跟 G-F 上量到的是同一個來源的。

至於為何 A7 缺陷的活化能比 as grown 樣品來的小呢？推測有兩種可能，一是缺陷能階往上提升，二是缺陷能階只跳到量子某個能階後就穿隧出去。我們再對 A7 樣品在 -1V~-1.5V 及 -1.5V~-2V 區間做 DLTS 量測，如圖 4-19(a)(b)，發現-1V~-1.5V 在低溫處有兩包接連的訊號，由先前 GF 的量測來推斷，較低溫處的是量子所貢獻，其旁邊為缺陷訊號，這跟我們在縱深上看到兩包連在一起的訊號是吻合的。對-1.5V~-2V 偏壓而言，量子訊號不存在，只有缺陷訊號。圖 4-20 為缺陷訊號的阿瑞尼士圖，DLTS 缺陷訊號量測到活化能比 G-F 少的原因跟 as grown 樣品一樣，因為量測的峰值溫度不同所造成的。從 DLTS 上可知 A7 樣品經過退火後，原本 As 就存在的缺陷濃度被熱退火掉變少，量子效應些微的變明顯，但在表面產生了新的缺陷，出現在

高溫 T>300K 之後。接著我們再來看 A83 樣品，我們先做偏壓-1V~-1.5V 及 -1.5V~-2V 的 DLTS 量測，如圖 4-21(a)(b)我們看到在低溫處的缺陷訊號比原先 A7 樣品的更加微弱，800°C 較高溫的熱退火讓缺陷濃度更少了，相對的量子訊號一定會變的更明顯，但為何原先 A7 樣品的低溫量子訊號，在這邊卻沒有看到呢，這是因為缺陷濃度變少後，缺陷對量子的穿隧效應抑制能力變弱，

量子在耀遷過程中不用跳到最高的能階，只要跳到較低的能階就可經由穿遂出去，也就是量子跳出活化能變小，因此我們可以推測它會出現在更低溫 T<90K 的地方，只因為已經超過了我們量測溫度的範圍，才會沒看到它的存在。接下來我們對量子點區域的偏壓做 G-F 量測來印證上面的說法，如圖 4-22(a)(b)(c)(d)(e)，得到 98meV~116meV 之間的活化能，如圖 4-23，從 DLTS 上可知缺陷訊號很微弱，因此我們可以推斷此訊號為量子所貢獻，且比 A7 更低的活化能剛好可以證實缺陷濃度下降，抑制量子穿遂機率降低。接著我們對 A85 樣品，也就是退火溫度攝氏 800^O C 時間五分鐘的樣品，同 A83 樣品一樣退火溫度，但退火時間更長兩分鐘，做定溫變頻的 C-V 量測及縱深轉換，

如圖 4-24(a)(b)，可以看到在偏壓-1V 的地方有明顯的量子訊號，於是針對這量子結構區域做 G-F 量測，如圖 4-25(a)(b)(c)，畫成阿瑞尼士圖，求得 67meV~98meV 的活化能，如圖 4-26，這個值比 A83 更低了，量子從能階中跳出來時間更短更快，只要在跳到某個很低的能階後就可以藉由穿遂而出。接下來我們對 A85 樣品做-1V~-1.5V 及-1.5V~-2V 的 DLTS 量測，圖 4-27(a)(b)，

如我們預期的，缺陷濃度非常的低，幾乎已經沒有看到缺陷的存在，這可跟我們在 G-F 上量到很低的量子活化能相呼應。証實在高溫較長時間的熱退火下，原本 as grown 樣品因為加入 N 產生的缺陷已經消失了。同 A7 樣品，在

在文檔中熱退火對掺入氮砷化銦量子點電子放射率之影響 (頁 24-0)