在前面有提到，在應力鬆弛量子點樣品的 PL 中，我們觀察到除了量子點基態、
激發態的峰值之外，在發光波長 1300 nm 的波段出現了一個額外的峰值，我們認為 是來自於另外一群量子點的訊號。在本章，我們將針對兩群量子點形成的原因及互 相載子轉移的現象作討論。
4-1 兩群量子點的解析
4-1-1 PL 分析
在 3.06 ML 及 3.3 ML 的應力鬆弛量子點和 2.7 ML 正常量子點的 PL 圖中，如圖 3-2，我們可以看到應力鬆弛之後，PL 訊號會有強度明顯下降、主要峰值藍移以及長 波長出現額外訊號等現象發生。PL 強度的下降，是由於在應力鬆弛樣品中缺陷的產 生，造成非發光性躍遷的路徑增加所造成。
在單純考慮應力的條件下，一般對於量子點能帶結構的理論計算[21]認為，當量 子點所受到的應力下降時，能隙寬度會下降，也就是在PL 上會發生紅移的現象。這 與我們實驗所得到在應力鬆弛之後，PL 主要峰值藍移的發現有所抵觸。而除了應力 大小，影響量子點發光波段的主要因素還有：量子點的組成元素比例及量子點的大 小等，必須加入考慮。
在之前的研究中[22]，曾經比較過 2.7 ML 樣品與 3.3 ML 樣品室溫下變功率 PL 的量測，現在加入了3.06 ML 樣品一起作比較，如圖 4-1 (a) (b) (c)所示。為了比較樣 品PL 波長隨入射光強度消長的情形，分別對圖形做了歸一化的動作，圖 4-1(a)中 2.7 ML 樣品針對主要峰值作歸一化後，發現其他兩個 peak 強度有隨著激發功率變大而 成長的比主要峰值更快的趨勢，由此推估這些峰值為同一群QDs 的基態與激發態訊 號[23]。
而從 3.3 ML 及 3.06 ML 樣品的室溫變功率 PL，如圖 4-1(b) (c)，發現長波長峰
值的成長速率比其他峰值慢，可以推測這是應力鬆弛造成兩群發光能量不同QDs 所 造成。
4-1-2 TEM 分析
我們接著對 3.06 ML 應力鬆弛量子點的樣品作 TEM 的研究，並與 2.7 ML 正常 量子點的TEM 作比較，如圖 4-2。在 TEM 中，比較亮的區域是原子序較大的原子較 多的部份，在我們的樣品中就是In 聚集的地方。在 2.7 ML 正常樣品的 TEM 中，可 以看到位在量子井的量子點中，並且發現In 均勻分布在各個量子點中。在 3.06 ML 應力鬆弛樣品的TEM 中，量子點的大小沒有明顯與 2.7 ML 正常樣品有所差異，但 可以看到除了形貌正常的量子點之外，還存在著將In 擴散到量子點及量子井外、甚 至到上層GaAs 的量子點。當量子點將 In 向外擴散，同時代表著 Ga 會交互擴散到量 子點之中。這個行為會造成量子點的能階提升，造成能隙的增加，這可以解釋為何 在之前的PL 中主要峰值會發生藍移的現象。
我們將正常形貌與有In 向外擴散的量子點分別作高解析 TEM 的分析，如圖 4-3 (a) (b)。我們藉由傅立葉轉換的技術可以分辨出差排缺陷，並將其分布與原本的量子 點TEM 圖作比較。我們可以看到，正常形貌的量子點具有較多的差排缺陷分布在附 近，反而在有In 向外擴散的量子點上，差排缺陷的數量明顯少了許多。我們可以因 此而推測，在樣品中正常形貌的量子點，也是發生了應力鬆弛的量子點，其釋放應 力的方式是藉由在量子點附近產生差排缺陷。
4-1-3 InAs/InGaAs DWELL 結構中應力鬆弛引發之兩群量子點
藉由上述的實驗，我們發現在 InAs/InGaAs DWELL 結構中，由於量子點釋放應 力的方式有兩種：一種是將In 向外擴散，會造成量子點能隙增加，；另一種則是在 量子點附近產生差排缺陷。從樣品的PL 圖，如圖 3-2，可以發現將 In 向外擴散的量 子點訊號中仍保有基態以及第一激發態兩個峰值，說明這群量子點的發光特性並沒
有被破壞太多，也可以證實這群量子點被差排缺陷影響較小。而產生差排缺陷的量 子點則只觀察得到基態的訊號。
我們認為會造成量子點應力鬆弛有兩種方式的原因是，由於我們在 InAs 量子點 上方蓋了一層InGaAs 應力緩衝層所造成。在 InAs 和 GaAs 中間長一層 InGaAs 可以 減緩應力以及晶格的不匹配。但當我們成長量子點超過臨界厚度時，InAs 和下方 GaAs 有可能因為晶格不匹配程度較強，而因此會產生差排缺陷來釋放應力；沒有產 生差排缺陷的量子點，則因為 InAs 受到應力的累積會在 InGaAs 緩衝層達到最大，
進而產生了In 向上方大量擴散的效應發生。
而藉由以上的分析，使得我們了解量子點在 DWELL 結構中發生應力鬆弛的機 制，除了會造成差排缺陷的產生，也會引發兩群發光能量不同的量子點。
4-2 兩群量子點間載子轉移效應
4-2-1 3.06 ML 量子點樣品之變溫 PL 分析
根據以上的實驗分析，我們知道在應力鬆弛量子點樣品中有著兩群量子點的分 布。我們進行了3.3 ML 及 3.06 ML 樣品的變溫 PL 量測，如圖 4-4 (a) (b)。而由於在 3.06 ML 樣品的 PL 中，長波長訊號比較明顯，我們針對 3.06 ML 的變溫 PL 作分析。
在 3.06 ML 的 PL 頻譜中，可以看到主要存在著三個峰值，分別為 In 向外擴散 量子點的基態以及第一激發態和產生差排缺陷量子點的基態訊號。對 3.06 ML 樣品 在不同溫度下量測的PL 圖作三個高斯分布的擬合，如圖 4-5 (a) (b)，可以得到各個 峰值的資訊，包含峰值的半高寬、積分強度及能量位置。
我們主要想觀察兩群量子點之間的交互作用，將針對兩群量子點基態的數據作 對照。以下為了方便起見，我們將In 向外擴散的量子點稱為高能量量子點；產生差 排缺陷的量子點稱為低能量量子點。在圖4-6 中，我們將兩群量子點基態的半高寬對 溫度作圖。一般而言，由於溫度上升時聲子散射的效應增加，量子點PL 的半高寬會 隨溫度升高而升高。然而我們發現高能量量子點的半高寬隨著溫度升高有會先下降
才又上升的趨勢。一些別的團隊研究[24]中認為，這是由於隨著溫度升高，這群量子 點內的載子會有重新分布的現象發生所造成。這群量子點的能階深淺呈一個高斯分 布，其中較淺能階的量子點，會隨著溫度升高而使原本侷限的載子脫逃，並而有可 能在此時會掉入能階較深，因此造成半高寬的分布集中到較深能階的量子點區域。
圖 4-7 則是將兩群量子點基態的 PL 積分強度先分別對最低溫 PL 積分強度的值 作歸一化，再對溫度作圖。一般而言，因為溫度升高量子點侷限的載子會減少的緣 故，PL 積分強度會隨著溫度而下降。但是我們卻在低能量量子點積分強度對溫度的 變化中發現，溫度在140 K 附近時，會有異常上升的現象發生。這代表在 140 K 溫 度範圍，低能量量子點內侷限的載子有所增加。
高能量量子點的半高寬下降及低能量量子點積分強度的增加，我們認為這是由 於載子隨溫度作重新分布時，兩群量子點間會有載子轉移的現象發生。如圖 4-8 (a) (b)，當溫度升高，載子會從高能量量子點掉入低能量量子點中，使得低能量量子點 的PL 訊號增強所造成。
這個量子點間載子轉移現象在其他團隊之前的研究中[25]曾經作過討論，發生載 子轉移的溫度與我們大致上相同。在低溫時，不會發生載子的轉移；當溫度升高到 約 140 K，使得載子轉移發生。研究中認為，載子可能是多聲子輔助穿隧效應 (Multiphonon-assisted Tunneling Process)而轉移到其他量子點。
圖4-10 則為高斯擬合換算出兩群量子點峰值間能量差對溫度的變化。我們也可 以發現，當溫度同樣上升到 140 K 附近時，量子點間能量差會有明顯下降。能量差 的下降，會造成多聲子輔助穿隧機率的增加。而溫度上升，聲子效應的增加也同樣 會使得載子轉移效應更容易發生。
4-2-2 3.3 ML 量子點樣品之 G-F 分析
在之前的研究[26]中，我們曾經在 3.3 ML 樣品的 G-F 量測中發現也有兩群載子 轉移的效應。G-F 量測中的峰值所在的頻率即為量子點載子躍遷的速率。由於 3.3 ML
樣品中的量子點載子躍遷在低溫時，會由穿隧效應主導，載子躍遷速率大致上不隨 溫度改變。而如果是由熱激發主導載子躍遷，應該要隨著溫度上升而變快。從圖4-11 中，我們卻可以發現，當量測溫度為110 K 時，載子躍遷速率在 2x104 Hz；而當溫 度上升至140 K 附近溫度時，G-F 的峰值反而往低頻移動。這代表著當溫度升高，載 子躍遷速率反而變慢。
圖 4-12 則是將載子躍遷的時間常數對溫度作圖，也可明顯看到，數據在 140 K 會出現 S 型的轉折。這種現象的產生，同樣歸因於兩群量子點載子轉移效應發生。
在低溫時，有較多載子侷限於高能量量子點中。由於高能量量子點的能階較淺，使 得G-F 量測到的載子躍遷速率會在比較快的速度；當溫度升高到 140 K，在高能量量 子點中的載子大部分掉入了低能量量子點中。由於低能量量子點的能階較深，我們 在這個溫度範圍會量到比低溫時還慢的載子躍遷速率。
由光性量測中發現的兩群量子點間載子轉移現象，讓我們可以驗證在電性量測 上這個現象是由於兩群量子點間載子轉移所造成。在3.06 ML 樣品的 PL 量測上低能 量積分強度發生明顯增加和3.3 ML 樣品 G-F 量測到載子躍遷速率下降所出現的溫度 區間都大約為 140 K 上下，表示的確是相同的效應所導致。雖然是在不同樣品所發 現到的現象，但由於兩個樣品在PL 上都有看到低能量量子點的訊號，而且樣品間差 異僅在於缺陷數量的多寡，我們認為是可以相互印證的。
1000 1100 1200 1300 1400
1000 1100 1200 1300 1400 1500 3.06 ML
1000 1100 1200 1300 1400
3.3ML
300 K Normalized
Intensity (a.u.)
Wavelength (nm)
5.2 mW 6.5 mW 13 mW 41.1 mW 82 mW 130 mW 206 mW 326.5 mW 517.5 mW 651.5 mW 820.2 mW
圖4-1 (c) 3.3 ML 樣品室溫變功率 PL 頻譜
圖4-2 2.7 ML 正常樣品與 3.06 ML 應力鬆弛樣品 TEM 比較