摻入氮的砷化銦量子點深層暫態能階量測量子點中電子被捕獲的影

(1) electron capture 量測基本原理

電子的 capture 量測和 emission 量測的方式相反，在零偏壓時先 將電子灌入，施加正偏壓（將樣品的正負極反接）給一個脈衝將電子 空乏出來，這時候的偏壓我們稱放射偏壓(emission bias)，之後再回到

18 偏壓的時候量測它的捕捉位障(capture barrier)，而增加放射偏壓到-3 V，從圖 3.6(a)知道這個偏壓是頻率響應的邊緣，當空乏到-3 V 代表

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將量子點裡面的電子都趕出來，同樣也是在電子被捕捉的時候量 capture barrier。

實驗結果如圖 3.16，量得訊號隨著放射偏壓增加峰值會往高溫移 動，代表量子能階內的電子越少，它捕獲電子的速率（capture rate）

較快。圖 3.17 為捕捉位能障和外加的偏壓關係，捕捉位障隨著量子 點中電子數量減少而增加，這是因為放射偏壓小時，空乏量子點裡面 電子的數量較少，使得能帶彎曲較小，得到的捕捉位障小；當放射偏 壓愈大，空乏出較多電子，外面電子愈多能帶彎曲較大，所以得到一 個比較高的捕捉位障其量測結果示意圖為圖 3.18，捕捉位障範圍從 191~282 meV 詳見表 3.3。圖 3.19 是改變空乏電壓到-3 V 電子被捕 獲的時間常數，顯示改變空乏的電壓，在空乏電子數量為量子點區域 時，在愈深的能階中電子受缺陷的載子濃度牽制而增加時間常數。表 3.3 結果可與表 3.1 DLTS 在量測電子做 emission 時作比較，電子跳出 來活化能約181～293 meV 和電子被捕獲所需的位能障 191~282 meV 很接近，這兩個實驗都是改變量子點內電子的數量，可以得到結論為 量子點內的電子數量愈少，量子點內電子放射所需的活化能愈大，而 量子點內捕獲電子的位能障也愈大。而且從實驗的數據來分析，電子 從量子點跳出去所量到的活化能和電子被捕獲的位能障差不多。這代 表電子要注入到量子點必須克服一個捕捉位能障，它的高度和電子從

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量子點放射的位能障高度差不多；之前電子在emission 的時候可以得 到圖3.14 的能帶圖，而之後做電子被 capture 的實驗發現樣品含有位 能障的存在，因此我們可以把能帶圖修正成圖 3.20，而本質位能障 (intrinsic capture barrier)的存在是我們藉由放射偏壓-1 V 時來判斷，因 為空乏電子的數量較少，所量到的捕獲電子位能障和沒有外加偏壓時 的應該會很接近，所以樣品在原本沒有外加偏壓時的本質位能障大約 是191 meV。因為有捕捉位障的存在，所以電子不容易填入，可對應 到圖3.10(b) PL 的量測中，電子不易跳入所以 PL 的強度減弱，顯然 摻入氮之後會造成捕捉位障的出現，由之前的實驗可以量到缺陷的訊 號如圖 3.10，所以我們推論摻氮之後會有缺陷能階產生(於第四章詳 細討論)，因而造成捕捉位障出現。

表3.3 改變空乏電壓到-3 V 捕獲電子的位能障和捕獲截面積

Bias (V) -1 /0 -1.5 / 0 -2 / 0 -2.5 / 0 -3 / 0

E

(meV) 191 213 253 274 282

σ

(cm

) 5.4×10

6.1×10

7.1×10

3.4×10

3.0×10

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1000 1200 1400 1600

0.00

PL Intensity (a.u.)

Wavelength (nm)

800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 0.0

1st excited state

PL Intensity (a.u.)

Wavelength (nm)

22

800 1000 1200 1400 1600 1800

0.00

PL Intensity (a.u.)

Wavelength (nm)

23

0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45

10¹⁶

0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

10¹⁶

24

0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

10¹⁶

25

26

27

InAs QDs DLTS

ΔC (pF)

28

100 150 200 250 300

-1.0

Captrue / Emission

filling pulse 10 ms Rate window: 21.5 ms

ΔC (pF)

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4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 5.8 6.0 5.0

5.5 6.0 6.5 7.0 7.5

ln

(

)

1000/T

0 / -2.5 V Ea = 0.181 eV -0.5 / -2.5 V Ea = 0.201 eV -1.0 / -2.5 V Ea = 0.217 eV -1.5 / -2.5 V Ea = 0.220 eV -2.0 / -2.5 V Ea = 0.293 eV

(b)

圖3.11（b）改變不同電子數量固定量測偏壓的 Arrhenius plot

圖 3.12 量子點內電子數增加，電子釋放時活化能減少示意圖

圖 3.13（a）不同區間電子活化能量測方式示意圖

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100 150 200 250 300 350 400

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0

Captrue / Emission

InAsN QDs rate window 4.3 ms

ΔC (pF)

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圖 3.14 量子能階存在的能帶示意圖

800 1000 1200 1400 1600 1800

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

Δ

C & P L I nten sity (a. u. )

Wavelength (nm)

T = 300K GaAs CB edge 1200 nm

Ea = 193 meV

圖 3.15 PL 和 DLTS 訊號對應

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100 150 200 250

-0.2

100 150 200 250

-0.1

Emission Bias (V)

C apt u re Ba rrier ( m eV )

圖3.17 改變電壓到-3 V 電子被捕獲的位能障改變

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Capture barrier height is short.

Capture barrier height is tall.

-3/ 0 V -1 / 0 V

Capture barrier height is short.

Capture barrier height is tall.

-3/ 0 V -1 / 0 V

Capture barrier height is short.

Capture barrier height is tall.

Capture barrier height is short.

Capture barrier height is tall.

Capture barrier height is short.

Capture barrier height is tall.

-3/ 0 V

time constant

圖 3.19 改變空乏電壓到-3 V 電子被捕獲的時間常數

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圖 3.20 能帶圖修正為包含位能障和缺陷能階

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