光激發電性量測系統

第二章樣品成長與量測系統簡介

2.2 量測系統簡介

2.2.5 光激發電性量測系統

論文中所使用的光激發電性量測系統，為本實驗室自行架設，包含以鹵素燈作為外加光源，並配合電性量測系統(C-V, I-V 或 DLTS)，以了解樣品於外加光源時的電性特性。本論文中以具有連續發光波段(可見光至紅外光，500 nm~2000 nm) 的鹵素燈(Halogen lamp)作為光源，並透過分光儀使輸出光源為單一波長光源(半高寬為 10nm)，再利用透鏡聚焦至真空腔體中的樣品上。在照射光源的同時並配合電性量測系統的分析。光激發量測裝置系統如圖[2.3]所示。

圖[2.1] 樣品結構圖

圖[2.2] 光激發螢光量測系統示意圖

圖[2.3] 光激發電性量測系統示意圖

第三章

量子井內部能帶結構及缺陷分析

3.1 光激發螢光量測 (PL)

為了得知不同厚度 GaAsN 量子井的內部結構，本團隊先前對其做了 PL 量測。圖[3.1]為 60Å 、120Å 、250Å 在低溫 30K 下的 PL 圖形，可發現除了高能量的量子井訊號(quantum emission)外，在低能量也出現了一個分布較廣、較胖的訊號[5][6][7]，這個訊號在許多低溫成長下 Liquid Encapsulated Czochralski (LEC) 的 GaAs 基板都能觀察到，根據先前的研究[8][9][10]，其來源為 GaAs 本身 V_Ga 的點缺陷(point defect)：量子井中侷限的電子躍遷到價帶(valance band)上方的缺陷能階所產生的訊號，圖[3.2]為其 PL 訊號來源示意圖。此缺陷在量子井樣品受光激發而表現的電容-電壓特性占了非常重要的地位，論文第四章會再詳述。除了 as grown 的樣品之外，為了釐清光電容在量子井中產生的來源，我們將厚度 250 Å 的量子井樣品作快速熱退火(rapid thermal annealing=RTA)的處理，目的是將樣品中的缺陷消除。圖[3.3]為 250 Å as grown、RTA600 及 RTA700 的 PL 圖形。

由圖中可明顯觀察到，經過熱退火處理的樣品，在低能量的 PL 訊號(點缺陷 VGa) 明顯下降，且量子井的 PL 訊號隨著熱退火的溫度上升而變好。

3.2 量子井 C-V 平台的位移

3.2.1 電容電壓量測 (C-V)

為了研究量子井中載子受光激發的電性機制，我們有必要先對樣品做基本的電容電壓量測(C-V)，以了解其內部各區域的載子濃度分布。圖[3.4(a)]、圖[3.4(b)]、

圖[3.5(a)]、圖[3.5(b)]、圖[3.6(a)]、圖[3.6(b)]分別為量子井厚度 60Å 、120Å 、250Å 未受光激發時的變溫 C-V 圖及縱深分布圖。由縱深分布圖可看出，三塊樣品的

背景濃度約在 2×10¹⁶cm^-3至 2×10¹⁷cm^-3左右，大致符合長晶時的 Si 摻雜濃度；

另一方面，可看出樣品內部存有載子侷限，侷限的位置便是量子井的成長位置，

由於量子井將周圍的載子侷限於其中，便在周圍形成一下凹的空乏區。由厚度 60Å 可明顯觀察到，樣品的溫度愈高，侷限在量子井中的載子濃度就愈低：這是由於載子在溫度較高的環境下，可獲得較高的熱動能，如此便有能力可以跳出量子井的侷限位勢，使得縱深分布圖中侷限載子的濃度隨著溫度升高而降低；且因著量子井的侷限能力下降，周圍空乏區的載子濃度便隨著溫度升高而回升。然而 120Å 的情況較為複雜，我們之後會再討論。

250Å 的縱深分布圖與 60Å 有很大的不同：在低溫 77K 時，從樣品表面到內部約0.4μm 存在一個很大的空乏區，但卻看不到侷限載子的高濃度區域；一直要到 220K 時，才在約 0.47μm 處看到載子堆積的現象。關於樣品內部存在如此大的空乏區域的原因，本團隊先前的研究已探討過，[11]其來源為 250Å 的 GaAsN 量子井成長時間 (growth time) 較長，使得摻雜的 N 原子的成分波動效應 (N-composition fluctuation)及群聚效應(N clusters)較嚴重，因而樣品內存有大量的缺陷空乏掉原本應該侷限於量子井的載子。而在 220K 時看到的載子堆積現象，

是由於 N 摻雜的關係導致周圍能帶改變，使得在低溫 77K 下，載子從量子井中跳出的時間較長，無法跟上儀器的掃動頻率，因此無法被調變到；然而當溫度升高到 220K 時，載子跳出量子井的速率已經可以跟得上儀器的掃動頻率，因此縱深分布圖上便能看出載子侷限的現象。

3.2.2 深層能階暫態頻譜量測(DLTS)及自生載子中心的存在

圖[3.8] 各別為 120Å 樣品在不同偏壓下固定 filling pulse 及速率窗(rate window)的 DLTS 圖形；圖[3.9]及圖[3.10]為不同偏壓下的阿瑞尼士圖(Arrhenius plot)及對應的缺陷活化能(activation energy)和捕捉截面積(capture cross section)。

在此阿瑞尼士圖中我們參考了陳乃權學長在 1998 年發表的一篇 paper，文中提到

在低溫成長的 GaAs 中量測到一群缺陷，其電子與電洞的活化能分別為 0.66eV 及 0.77eV，加起來正好是 GaAs 的能隙，因此認為這群缺現為自生載子中心 (generation center)。由 120Å 的阿瑞尼士圖可發現，樣品中的缺陷與 paper 中的缺陷屬於同一群，因此 120Å 中也存在自生載子中心。

而當溫度升高時，Top n-GaAs 層中作為自生載子中心(generation center)的缺陷便會產生電子-電洞對(electron-hole pair)。電洞會被電場掃至樣品表面，因此可忽略 其造成的電位差；而電子會在量子井前的 Top n-GaAs 層中與 N_d中和，產生中性區(neutral region)，使得 Top n-GaAs 層的空乏區回縮，在固定偏壓下，量子井後的能帶將會傾斜而在空乏區邊緣及量子井間形成多餘的正電荷以維持樣品內部

其中∆V為量子井後產生的電位差；其中⁡𝑁_𝐷⁡為 n-GaAs 的摻雜濃度(#/Area³)；𝑉_𝑏𝑖⁡與

⁡𝑉_𝑅 為金屬-半導體接面的內建電位障(built-in potential barrier)與儀器所給的外加逆向偏壓。由上式可觀察到，隨著𝐿(𝑡)逐漸縮短，∆V會逐漸變大，因此費米能階便會提早調變到量子井中的電子而在電容-電壓量測中形成平台。

GaAsN(N=1.8%) as grown T=30K ; Power=6.5mW

250A 120A 60A

60A

圖[3.3] 250Å as grown、RTA600 及 RTA700 的 PL 圖形

0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 0.00

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

RTA700

RTA600

Intensity (a.u.)

Energy (eV)

250A(1.8%); T=30K as grown RTA600 RTA700

1.209 eV

1.214 eV 1.202 eV

as grown

60A(1.8%)_Dark f=100kHz

0.24 0.22 0.20 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10

1E16

120A(N=1.8%) as grown f=100kHz

250A(N=1.8%) as grown f=5kHz

圖[3.7(a)] 120Å 在低溫下，給定一固定逆向偏壓的能帶示意圖

圖[3.7(b)] 升溫時，generation center 產生電子至 Top n-GaAs 層

120A(1.8%) as grown filling pulse=100ms

100 150 200 250 300 350 400

-100

120A(1.8%) as grown filling pulse=100ms

圖[3.9] 120Å 在不同偏壓下的阿瑞尼士圖 C

圖[3.10] 120Å 在不同偏壓下缺陷的活化能及捕捉截面積 C

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0

10^-2 10^-1 10⁰ 10¹ 10² 10³ 10⁴ 10⁵

0.66eV

1000/T(1/K)

T2 (s-K2 )

-1V/0V -2V/-1V -3V/-2V 0.77eV 0.66eV Defect 1 Defect 2 Defect 3 0.77eV

第四章

GaAsN 量子井光激發載子的來源與機制

4.1 GaAsN 量子井的光電容來源

在瞭解了量子井 C-V 平台往小偏壓座移動的原因之後，我們開始進入本篇論文的核心議題「GaAsN 量子井光激發載子的特性與傳輸行為」。在第二章及第三章中，我們已經介紹了 C-V 量測的原理：利用儀器給定的外加逆向偏壓來改變樣品的空乏區大小，以量測空間中各區域的載子濃度變化。然而，若對量子井樣品做 C-V 量測時，同時給予樣品做照光的動作，C-V 曲線會有向上抬升的現象，此即光電容ΔC 的貢獻，如圖[4.1]所示。為了研究不同厚度的量子井結構與光電容之間的關係，我們利用「光激發電性量測系統」(如圖[2.3])對樣品做變波長的光激發電性量測。圖[4.2(a)]、圖[4.2(b)]、圖[4.2(c)]各為厚度 60Å 、120Å 、 250Å 的 GaAsN 量子井樣品在低溫 78K 下的光電容(ΔC)量測。由圖中可觀察到：

在不同偏壓下，發生光電容的激發光波長十分一致；然而，不同於 60Å 和 120Å ，其發生光電容的激發光波長在 1.3eV 以上，250Å 則是在 1.2eV……

在第三章中，我們已從不同厚度的量子井樣品的 PL 及 C-V 量測中得知，

250Å 內存在最多的缺陷。在本篇論文撰寫之前，對於光電容的來源一直是個未解的謎題：其來源究竟是量子井又或者是缺陷？為了解決這個問題，我們對缺陷最多的 250Å 做快速熱退火(rapid thermal annealing=RTA)的處理。眾所皆知，快速熱退火可消除樣品中的缺陷，這樣一來，我們就能將光電容的來源於量子井和缺陷之間做出區隔。於圖[3.3]可觀察到經過熱退火處理的樣品，在低能量的 PL 訊號(V_Ga的點缺陷)明顯下降，而量子井的 PL 訊號也隨著熱退火的溫度上升而變好。我們將 250Å as grown(未作熱退火)、RTA600(熱退火溫度 600°C, 3min)及 RTA700(熱退火溫度 700°C, 3min)作光激發的 C-V 量測，激發光源為 LED 燈，波

長為 1.32eV。使用發光波長為 1.32eV 的 LED 燈當激發光源的原因為：LED 的功率(power)較大，且 1.32eV 包含量子井的發光能隙及 1.3eV 的 VGa缺陷；如此一來，便能看到存在大量缺陷的 as grown 樣品與缺陷大量降低的 RTA600 和 RTA700 在作光激發的 C-V 量測時的差異。其量測結果如圖[4.3(a)]、圖[4.3(a)]

及圖[4.3(a)]。由圖中可明顯發現到，隨著熱退火的溫度升高，光電容也跟著下降，

RTA700 更是幾乎看不到光電容的貢獻。此一結果顯示，光電容的成因，與樣品中的 V_Ga缺陷有很大的關係。

4.2 GaAsN 量子井的光電容機制

在上一節中，我們對不同厚度的量子井樣品作光電容的量測，發現 250Å 不同於 60Å 和 120Å ，其發生光電容的光激發能量始於 1.2eV。然而，由 250Å 經過熱退火處理的樣品得知，光電容的來源為樣品中的 VGa 缺陷。既然如此，為何 250Å 的光電容抬升位置不是在 1.3eV 呢？在此節，我們針對 250Å 這片樣品作更深入的探討。

圖[4.4]為 250Å 在低溫(30K 至 120K)的 PL 圖。由圖中可觀察到，其量子井的發光波長為 1.21eV，正好接近其發生光電容的光激發能量 1.2eV，這一結果顯示：雖然光電容的來源為樣品中的 VGa缺陷，但在 250Å 這片樣品中，量子井也和光電容存在某種關係。為了區別出量子井與缺陷對光電容的貢獻，我們拿 1.16eV 的 LED 當激發光源作光激發 C-V 量測。圖[4.5] 是 250Å as grown 在低溫 80K 時的 PL 圖與 1.16eV 的 LED 波長分布比較。由圖中可看出，1.16eV 的 LED 燈波長分布涵蓋了大部分的量子井 PL 訊號，且低於 1.3eV，如此一來，便能做僅激發量子井發光能隙的電性量測。圖[4.6(a)]及圖[4.6(b)]為 78K 時，250Å as grown 樣品用 1.16eV 作激發光源的 C-V 量測及縱深分布圖的結果。由圖中可觀察到，當激發光源的功率達到 0.3mW(驅動 LED 的電流=2.6mA)時，C-V 的量子井平台已明顯飽和；縱深分布圖也顯示，當激發光源的功率大於 0.3mW 以上，

載子侷限的濃度已達定值，改變的只是載子侷限的空間位置。關於縱深分布圖上載子侷限位置的移動，留待之後討論，我們現在著重於量子井中載子濃度變高的議題上。既然 1.16eV 的激發光源能夠使得量子井中的載子濃度增加，我們更進一步利用不同的量測速率作 C-V 量測。圖[4.7(a)]及圖[4.7(b)]為激發光源為 0.3mW(驅動 LED 的電流=2.6mA)時，不同量測速率的 C-V 圖及縱深分布圖：可觀察到，若量測的速率越快，受調變的載子越少─這是缺陷的一項重要特徵。此一量測結果更加證實了 250Å 的量子井結構確實與光電容的來源─缺陷間存在強烈的交互作用。此一特殊現象，我們利用圖[4.8]的能帶示意圖來解釋。圖[4.8(a)]

為未照光時的能帶圖，由第三章的討論已知，250Å 的量子井結構由於太厚，其量子侷限的能階幾乎在 GaAsN 的導帶上，所以此時的量子井可以說是沒有侷限任何載子。然而，當此樣品受到光激發時，會將 V_Ga缺陷中的電子激發到量子井中，留下正電荷在缺陷，如圖[4.8(b)]。由於費米能階還未調變到量子井中的載子，

在文檔中深層能階缺陷對光激發載子於GaAsN/GaAs量子井結構中的影響 (頁 21-0)

第二章 樣品成長與量測系統簡介