第3章光電特性量測結果與分析 - 深層能階對覆蓋InAlAs層之InAs量子點的光電容特性分析

本章的重點在基本的 InAs/GaAs 量子點的光電特性分析。先介紹四片樣品的 PL 光性分析，再來在未照射光源下，藉由不同溫度下的 C-V 分析，確立了缺陷的存在，並發現成長越厚的 InAlAs 層會造成更明顯的電容值變化。

3-1

InAs/GaAs 量子點光性分析

圖 3-1(a)-(d)為溫度從 25K 升溫至 300K，各樣品固定激發能量之 PL 隨溫度變化關係圖。整體而言，PL 訊號強度隨溫度上升而減弱，而峰值往低能量的方向移動，有明顯的紅移(redshift)現象。當溫度上升量子侷限效應變差，能形成輻射復合的電子電洞對則相對變少，反應在 PL 的強度上因此減弱。對於 SH332(d_In0.14AlAs= 0Å )，圖中明顯的兩個峰值訊號為 InAs 量子點的訊號。低溫 25K 時，基態(Ground State,GS)位置出現在 1.01eV，激發態(Excited state)位置出現在 1.07eV，隨溫度上升到 300K 後，GS 和 ES 的位置紅移到 0.95eV 和 1.03eV。

但在 SH331(d_In0.14AlAs= 10Å )、SH337(d_In0.14AlAs= 20Å )的 PL 圖中，可以發現在低溫時有一個半高寬較寬的峰值訊號(1.2eV)，在溫度升高後就消失了，只看到 GS 和 ES 峰值訊號。這峰值訊號(1.2eV)推測為 QW，上升至超過 200K 的溫度後，就幾乎無法侷限住載子，因此無法在 PL 上看到訊號。而成長 In_0.14AlAs 層也使得 QW 的量子侷限效應變好，因此相對於 SH332(d_In0.14AlAs=0Å )，這兩片樣品能看到明顯的 QW 訊號。而 SH335(d_In0.14AlAs= 54Å )沒有 QW 的結構，自然無法看到 QW 的訊號。圖 3-2(a)-(c)為根據 PL 圖所繪製的各樣品能帶示意圖。

3-2

確立缺陷存在於 InAs/GaAs 量子點中

3-2-1^變掃動偏壓速率 C-V 分析

圖 3-3~3-7 為四片樣品分別在高低溫改變掃動偏壓速率(Sweep rate) (532mV/s~27mV/s)所做的 C-V 圖，發現 SH332(d_In0.14AlAs= 0Å )高低溫的 C-V 訊號都不隨掃動偏壓速率變化，而 SH331(d_In0.14AlAs= 10Å )、SH337(d_In0.14AlAs= 20Å ) 、 SH335(d_In0.14AlAs= 54Å )在高溫時的 C-V 訊號隨掃動偏壓速率改變而影響，其中以 SH335(d_In0.14AlAs= 54Å )最為明顯。而這樣有掃動偏壓速率響應的現象，證明了有一個載子躍遷的現象被調變到，一般量子點載子躍遷速率的範圍都是在高頻程級，而此量測的掃動偏壓速率是在秒(s)的等級，遠慢於一般量子點載子躍遷速率，再加上需要在高溫才會看到此現象，推測造成這樣的影響是來自於缺陷(defect)的訊號。此外，從圖中發現隨著掃動偏壓速率越慢，電容值會有更大的變化量，是由於加偏壓的時間夠長，載子有足夠的時間躍遷出來，才會造成較大的電容變化量。而 SH335(d_In0.14AlAs= 54Å )會有最大的響應，推測成長越厚的 In_0.14AlAs 層，會對電容變化量產生的機制有影響，後面的章節將做進一步的確認。

3-2-2 變溫 C-V 分析

從 3-1-1 節中，發現在高溫時有掃動偏壓速率響應的現象，因此做了從低溫 77K 到高溫 350K 的變溫 C-V 分析，實驗結果如圖 3-7~3-10。從圖 3-7(a) 中發現 SH332(d_In0.14AlAs= 0Å )的 C-V 訊號隨溫度變化不大，轉成縱深分布圖如圖 3-7(b)，發現在 0.23m~0.24m 有明顯的電荷堆積訊號，配合圖 3-2(a)的 PL 量測和 InAs 的長晶結構位置，推測為 G.S.和 E.S.的訊號。而訊號出現在比長晶結構 0.3 m還小的位置，是因為在製作 Schottky 接面時有做蝕刻的動作，

方便電性量測觀察量子點的訊號。另外，載子堆積訊號隨溫度會有下降的趨勢。

載子侷限在量子點中，外加逆向偏壓時，電子受到場的影響會躍遷出，貢獻在 C-V 圖上的電容平台，經過轉換之後就是縱深分布圖上的電荷堆積訊號。在高溫時量子侷限效應較差，自然而然對應到電荷堆積訊號也會變小。圖 3-8(a)~(b) 顯示 SH331(dIn0.14AlAs= 10Å )也有相似的現象。但隨著成長 In_0.14AlAs 層的厚度增加，發現如圖 3-9(a)、圖 3-10(a)，SH337(d_In0.14AlAs= 20Å )、SH335(d_In0.14AlAs= 54Å ) 的 C-V 訊號提升至 280K 後在- 0.5V 至- 1.0V 的位置會出現一個平台的抬升，

從縱深分布圖上可以明顯的看到在較淺的位置會多出一個電荷堆積訊號，而發生掃動偏壓速率響應的溫度也在 280K 後，因此推測造成升溫時出現電荷堆積訊號是由缺陷訊號所造成的。

圖 3-11(a)~(b)說明了缺陷訊號受直流偏壓影響載子躍遷的能帶圖。假設缺陷能階(E_trap)是中性能階(neutral trap)，圖 3-11(a)為低溫 77K 時外加小偏壓時的能帶圖，此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。如果將溫度升高至高溫 350K 如圖 3-11(b)，使得缺陷載子躍遷速度加快，缺陷訊號受升溫影響的躍遷速率如式 3-1

𝑒_𝑡ℎ 𝑇 = 𝛾𝑇²𝜎_𝑛exp ^−𝐸^{𝑡𝑟𝑎𝑝}

𝑘 ∙𝑇 (3-1) 其中，為一常數，對 n-type GaAs 而言其值為 2.28×10²⁰cm^-2s^-1K^-2，σ_n為捕捉截面積，E_trap為缺陷能階活化能。電子躍遷至傳導帶後，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)，造成空乏區回縮導致電容值抬升產生一個 C-V 平台，轉成縱深分布圖後才會看到在較淺的位置會多出一個電荷堆積訊號。而 SH335(d_In0.14AlAs= 54Å )的 C-V 訊號會有隨溫度最大的響應，是因為成長越厚的 InAlAs 層提供了較大的位障而有利於電子堆積在 InAlAs 層和 GaAs 層的接面處，形成較寬的中性區，增加空乏區的

16 rate)都維持定值 54 mV/s，四片樣品在高、低溫的實驗結果如圖 3-13~3-16。發現 SH332(d_In0.14AlAs= 0Å )無論在高、低溫作順掃(Sweep down)(0V ->- 4V)跟逆掃

正電荷的生命期，rsw為掃動偏壓速率，VR為外加逆向偏壓，Vbi為製作蕭基接面產生的內建電位。由 3-2-2 節提到缺陷載子躍遷會造成空乏區回縮而導致電容抬升，因此逆掃時的 C-V 曲線不與順掃的 C-V 曲線重合，而形成像是電滯曲線的圖形，呼應了上一節提出的缺陷載子躍遷模型。而且，時間會影響缺陷載子躍遷量的多寡，由式 3-2 可知量測時間ｔ跟掃動偏壓速率 rsw的關係式，

而 Hysteresis 的現象跟掃動偏壓速率的響應都有隨溫度的正相關趨勢，證明了成長 InAlAs 層的樣品中確實存在缺陷，而且是造成電容值變化的主要原因。

0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

圖 3-2 各樣品 PL 發光能量位置之能帶圖 (a)SH332(d_In0.14AlAs= 0Å )

(a)SH331(d_In0.14AlAs= 0Å )、SH337(d_In0.14AlAs= 10Å )

(c)SH335(d_In0.14AlAs= 54Å )

-4 -3 -2 -1 0

0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10

10

¹⁷

-4 -3 -2 -1 0

圖 3-11 缺陷訊號直流偏壓影響載子躍遷能帶圖 (b)

(a)

-4 -3 -2 -1 0

-5 -4 -3 -2 -1 0

在文檔中深層能階對覆蓋InAlAs層之InAs量子點的光電容特性分析 (頁 26-49)