第4章光激發電性量測結果與分析

在第四章將探討缺陷受照射光源於 InAs/GaAs 量子點中的影響。由於鹵素 燈(Halogen lamp)具有連續發光波段，一開始先使用鹵素燈作為激發光源，選 擇照射光源能量 0.86eV 至 1.56eV，觀察一系列不同照射光能量的光電容變化。

接著使用 LED 為照射光源，針對特定能量(1.03eV、1.16eV、1.36eV)作變光強 度的 C-V 電性量測，觀察載子訊號的調變，發現成長越厚的 InAlAs 層會造成 更明顯的光電容值。

4-1

在此章的分析中，固定照射光源強度為 0.1mW，，能量從 0.9 eV (1378 nm) 至 1.56 eV (795nm)下，以 20meV 為間隔作 C-V 量測，再將所得照光之電容值 在相同偏壓下減掉不照光之電容值，所得之電容差值即為光電容(Photo- capacitance)。為了排除掉溫度對載子躍遷的影響，照射光源的實驗皆在低溫下 進行，圖 4-1(a)~(b)為四片樣品在低溫下的光電容圖。發現成長 In_0.14AlAs 層的 樣品在照射光源強度超過 1.3 eV 後，光電容值會大幅的提升，推測為缺陷的 影響。

4-2

從 4-1 節中，推測照射光源強度超過 1.3 eV 後大幅提升的光電容值來自於 缺陷的貢獻，本節使用照射光強度更強 LED 為照射光源，做變光強度的 C-V 量測，圖 4-2~4-5 為低溫下照射光能量為 1.3 eV 的變光強度 C-V 圖。發現 SH332(d_In0.14AlAs= 0Å )的 C-V 訊號照射光源後幾乎沒有變化。而成長 In_0.14AlAs

層的樣品如 SH335(dIn0.14AlAs= 54Å ) 的 C-V 訊號如圖 4-8(a)，會發現原本在- 2.5 V ~ -3.5 V 的平台會隨光強度漸漸向淺偏壓移動，在最大光強度(1.5 mW)時，

會移動到- 0.5 V ~ - 1.5V 的位置。轉成縱深分布圖如圖 4-8(b)，發現原本峰值 在 0.47m 的電荷堆積訊號，在光強度 0.15 mW 時，峰值位置移到 0.32m 的 位置，之後隨光強度增強，峰值從 0.32m 移至 0.22m 的位置，當光強度超 過 0.9 mW 後，圖形即無太大變化。由 3-2 節可知，低溫 77K 時外加小偏壓時，

費米能階還沒調變到量子點的位置，但已經調變到缺陷能階，不過由於低溫下 缺陷躍遷的速度很慢，無法量到訊號的變化。此時若外加一個照射光光源，加 速缺陷載子躍遷的速率使載子躍遷至傳導帶，受場的影響往量子點方向移動，

但是受到 InAlAs/GaAs 位障的阻擋，因而堆積在 InAlAs 層和 top GaAs 層的接 面處，中和此區的正電荷形成中性區(Neutral region)，造成 Schottky band (蕭基 接面至 InAlAs 層的能帶結構)空乏區回縮。外加固定逆向偏壓時，整個系統分 成兩個部份如圖 4-6，為了維持整個系統的電壓平衡，必頇使 Quantum band (量子點附近的能帶結構)增加∆V 的壓降如式 4-1，促使費米能階調變到量子點 的載子。

q

2εN_DL(t)²+ ∆V = V_R + V_bi (4-1) N_D為掃動偏壓時對應之空乏區的背景參雜濃度(即長晶時的參雜濃度 n-GaAs 層摻雜濃度)，L(t)為受缺陷載子躍遷的影響，與時間相關的空乏區寬度，V_R 為外加逆向偏壓，V_bi為製作蕭基接面產生的內建電位。當照射光源光強度越 大時，更多的電子從缺陷躍遷至傳導帶，受 InAlAs 層的阻擋，跟正電荷中和 形成較寬的中性區，此時量子點後面的能帶就有增加更大的壓降，使得費米能 階調變量子點的載子，因此隨著光強度越強，圖 4-8(b)的量子點訊號會往較淺 的位置移動。而比較圖 4-2~4-5 四片樣品的光電容值變化，也呼應了 3-2-2 節，

成長 InAlAs 層會增加的阻擋載子的能力，形成較大的光電容變化。

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4-3

由圖 4-1(a)~(b)得知，除了照光能量超過 1.3eV 外，介於 0.9 eV 至 1.3 eV 也會有小幅度的光電容抬升，推測與量子點相關。於是選了兩個能量(1.03eV、

1.16eV)的 LED 為照射光源做低溫下的 C-V 量測。1.03eV 的 LED 恰好可以激 發 G.S.的能階但不足以激發 E.S，而 1.16eV 的 LED 可以激發 G.S.跟 E.S.但能 量不超過 1.3eV。量測結果如圖 4-7~4-8，發現使用 1.03eV 的 LED 為照射光源，

C-V 曲線在 V = -3.5 V ~ -4 V 的位置有電容值的抬升，轉換成縱深分布圖，發 現在不打光時電荷累積訊號位置較深的地方，隨光強度變強有一個隆起的電荷 累積訊號，推測為 G.S.的訊號。接著使用 1.16eV 的 LED 為照射光源，從 C-V 曲線發現有更明顯的電容值抬升，轉換成縱深分布圖，發現在不打光時電荷累 積訊號位置附近，隨光強度變強，有兩個電荷累積訊號在增加，推測為 G.S.

和 E.S.的訊號。為了確定此現象是否跟缺陷有關，使用 1.03eV 的 LED 為照射 光源，做變掃動偏壓速率的 C-V 量測，固定光強度為 0.1mW 改變掃動偏壓 速率(532mV/s~27mV/s)。量測結果如圖 4-9，隨著掃動偏壓速率越慢，電容值 會有更大的變化量，比照圖 4-7 發現會得到相似的圖形，是因為增加光強度也 是增加載子躍遷的機率，跟放慢掃動偏壓速率一樣都是增加從缺陷躍遷出來的 載子量。而這樣有掃動偏壓速率響應的現象，由 3-1 節可知，一般量子點載子 躍遷速率的範圍都是在高頻程級，因此排除了是量子點能階本身吸光造成的影 響，而應該是來自於缺陷的載子躍遷所造成的現象，考慮缺陷能階重新繪製能 帶圖如圖 4-10。當外加足夠的電壓( -3.5 V ~ -4 V )，量子點的電子受場的影響 被掃了出去，使得能階上有了空缺，這時缺陷的電子就能激發至量子點的能階 (G.S.、E.S.)上，而缺陷殘留的正電荷導致空乏區回縮，造成電子回填(Refilling) 至量子點，因此從圖 4-7 和 4-8 的縱深分布圖可以看到量子點的電荷累積訊號 隨光強度而增加的現象。

0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

40

-5 -4 -3 -2 -1 0 1

42

-5 -4 -3 -2 -1 0

44

圖 4-6 照光下缺陷訊號直流偏壓影響載子躍遷能帶圖

46

-5 -4 -3 -2 -1 0

48

圖 4-10 考慮缺陷躍遷之能帶圖

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