第二章 實驗架構
2.1 樣品成長
第二章 實驗架構
2.1 樣品成長
本論文所研究的樣品為披覆 GaAsSb 層的 InAs 量子點結構，所有樣 品皆是以固態源分子束磊晶(Solid-Source Molecular Beam Epitaxy，SSMBE) 方式成長，由中央大學電機工程學系綦振瀛教授實驗室提供。首先在 GaAs 基板上成長厚度為 200 nm 的 GaAs 緩衝層，並在溫度 500 °C 情況下成長 InAs 量子點，大約成長 2.7 個 InAs 單原子層(monolayer，ML)，隨後成長 GaAs1-xSbx 披覆層，最後再成長 50 nm 的 GaAs 。利用原子力顯微鏡(Atomic force microscopy，AFM)量測表面量子點的形貌後，可得到量子點形貌接近 於透鏡型(lens shaped)，平均高度約為8.0 ± 0.5 nm，直徑約為 20 nm，而量 子點密度則為3 × 1010 cm−2。
在此分為三部分不同樣品：第一部分為 InAs 量子點披覆不同厚度的 GaAs0.8Sb0.2 樣品，其樣品結構如【圖 2.1-1】所示。在此共成長了四種不同 披覆層厚度的樣品，分別為 t = 0 nm、2.5 nm、5 nm 及 10 nm，編號分別為 4558、4549、4551 及 4547。第二部分為 InAs 量子點改變不同披覆層 Sb 含 量的樣品，其樣品結構如【圖 2.1-2】所示。 InAs 量子點上披覆了 4.5 nm 厚 的 GaAs1-xSbx 披覆層，在此共成長了兩種不同 Sb 含量的樣品分別為 x = 0%及 16%，編號分別為 3998、3997。對於 x = 16%的樣品，我們做了 800 °C 的熱退火處理以消除樣品內的電洞侷限態，其編號為 3997-9a。第三部分樣
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品為 PIN 結構下改變不同披覆層 Sb 含量的樣品，其樣品結構如【圖 2.1-3】
所示。 InAs 量子點上披覆了 5 nm 厚的 GaAs1-xSbx 披覆層和 50 nm 厚的 GaAs ，固定此成長條件重複成長五層，在此共成長了兩種不同 Sb 含量的 樣品分別為 x = 0%及 20%，編號分別為 4583、4581。
【圖 2.1-1】：樣品結構 4558、4549、4551 及 4547
【圖 2.1-2】：樣品結構 3998、3997 及 3997-9a
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【圖 2.1-3】：樣品結構 4583 及 4581
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2.2 光激螢光光譜理論及架設(Photoluminescence，PL)
A.光激螢光光譜理論
光激螢光光譜(Photoluminescence，PL)顧名思義就是利用激發光源照射 樣品產生螢光的一種非破壞性半導體光性量測方法。對於半導體材料而言，
在吸收一道能量大於材料能隙的光子後，電子將吸收激發光子的能量而從 價帶躍遷至導帶並且在價帶產生電洞，形成電子電洞對(electron-hole pair)。
高能量的電子電洞經由與晶格的碰撞釋出能量，導致電子電洞分別掉至導 帶頂部及價帶底部，接著電子電洞進行復合發光，產生出螢光光譜。如【圖 2.2-1】從螢光光譜的峰值位置、發光強度與譜線的半高全寬，我們可大致 推估其能隙大小與其長晶品質的好壞。
1
3 2
1. generate electron-h ole pair 2. phonon s cattering
3. radiative r ecombination
【圖 2.2-1】：直接能隙的光激螢光示意圖
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B.光激螢光光譜架設
如【圖 2.2-2】所示。首先使用 Ar+ laser 當作激發光源，雷射光經過帶 通濾波器(band pass filter)後再由聚焦透鏡聚焦至樣品上，聚焦至樣品上的光 點直徑大約為 44.7 μm 。接著利用蒐光透鏡蒐集螢光並聚焦至光譜儀內，
經由光譜儀分光後利用偵測器偵測訊號，可得到樣品在各波長的發光強度，
即為光激螢光光譜。光激螢光光譜的解析度與光柵條數、光譜儀長度以及 狹縫寬度有關。在考慮上述三點的影響後，可得知每釐米狹縫寬度所對應 的光譜解析度為 3.2 nm 。
Mirror
Ar+ Laser
Band pas s filt er (488nm)
Lens (15cm)
Sam pl e
Lens (5cm) Spectr om et er
PMT
【圖 2.2-2】：光激螢光光譜系統架構
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2.3 時間解析光激螢光光譜(Time-Resolved Photoluminescence，TRPL)
A.時間解析光激螢光光譜理論
時間解析光激螢光光譜(Time-Resolved Photoluminescence，TRPL)基本 上是紀錄特定波長的光子，透過外加脈衝雷射來記錄單個螢光光子出現時 間與激發脈衝光到達的延遲時間，並透過多次脈衝可得到螢光強度對時間 的分布圖。因此我們利用時間相關單光子計數系統(Time-correlated single photo counting，TCSPC)把不同周期內的激發光子相對於激發光源的時間間 隔記錄下來，透過長時間的累積統計下來重建螢光鬆弛時間(relaxation)。如
【圖 2.2-3】所示：
Laser Pulse
Fluorescence Photon Fluorescence Photon
Cycles do not produce photons
Excited-Emission
The photon has been not produced
C y c le s
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B.時間解析光激螢光光譜架設
如【圖 2.2-4】所示。首先使用脈衝雷射當作激發光源，雷射光經過聚 焦透鏡聚焦至樣品上，聚焦至樣品上的光點直徑大約為 100 μm 。接著利用 蒐光透鏡蒐光並聚焦至光譜儀內，經由光譜儀分光選定特定波長並利用光 電倍增管偵測訊號後，以 TCSPC 模組記錄光子抵達時間，可得到樣品螢光 隨時間的強度衰減曲線。
Mirror
Lens (15cm)
Sam pl e
Lens (5cm)
Spect rom et er
PMT
Pulse Laser
TCSPC t
【圖 2.2-4】：時間解析光譜系統架構
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第三章 結果與討論
本章我們分成三部分討論。第一部分中我們探討了不同披覆層厚度對 於 InAs/GaAsSb 量子點系統的影響。我們利用 TEM 及 PL 來釐清結構與 光學特性隨披覆層厚度的變化，並藉由模擬了解應變與量子侷限兩者的效 應。第二部分中我們探討了 type-II InAs/GaAs0.84Sb0.16 量子點系統在不同載 子注入程度下的躍遷行為變化。透過變功率及時間解析光譜我們可清楚判 斷躍遷形態與載子注入程度的關係。第三部分我們探討了 InAs/GaAsSb 量 子點系統中的載子動力學。藉由改變溫度之光電流實驗，我們研究了此系 統中的吸收以及載子脫逃過程。
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3.1 改變不同 GaAsSb 披覆層厚度的 InAs 量子點
3.1.1 光激螢光光譜
【圖 3.1-1】：不同披覆層厚度樣品之(a)光激螢光光譜(b)發光半高寬 c)發光強度
【圖 3.1-1(a)】為低溫(T= 12 K)低功率(Pex= 10 W)激發條件下的光激螢 光光譜。由圖可以觀察到隨著 GaAsSb 披覆層(capping layer，CL)厚度的增 加， PL 發光峰值有明顯紅移的現象。而針對各譜線分析後所得的發光峰
Normail integrate intensity (a.u.)
Capping layer (nm)
(c)
Capping layer (nm) (b)
PL Intensity (a.u.)
T=12 K
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效應的減少、或是量子點應力的釋放所致。除此之外，最近的研究也指出，
由於 Sb 原子在長晶過程中壓抑了量子點的分解，披覆 GaAsSb 層之量子 點高度將明顯較披覆 GaAs 之量子點來的高[9,10]。此現象亦可能造成 PL 發光的紅移。
在此為了釐清量子點尺寸隨著 CL 厚度增加的改變，我們利用穿透式 電子顯微鏡(transmission electron microscopy，TEM)來觀察量子點形貌的改 變。【圖 3.1-2(a)-(d)】所示為各樣品沿著 110 方向橫截的 TEM 影像。對於 披覆 GaAs 的樣品， InAs 量子點呈現平坦的形狀，我們得到量子點高度 約為 2.5 nm 而直徑約為 18 nm 。而在披覆 GaAsSb 後，量子點大小則隨 著 CL 厚度增加漸漸變大。對於 CL 厚度 t= 2.5，5 以及 10 nm 樣品，我們 得到高度(直徑)分別為 3.1 nm (21 nm)、4.1 nm (21 nm)、5.2 nm (24 nm)。在 此由於強烈的應變對比增加了精確分析量子點尺寸的困難，但我們仍可以 確認量子點尺寸有隨 CL 厚度上升而增大的現象。因此量子點增大的現象 也需考慮進 PL 發光的紅移成因之一。
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【圖 3.1-2】：CL 厚度(a) 0 nm，(b) 2.5 nm，(c) 5 nm 以及(d) 10 nm 樣品之 TEM 影像(e) 各樣品之量子點實際尺寸
13 了載子受限於零維的能態密度中(zero-dimension density of state)，因填態效 應(state-filling effect)而在高激發功率時可觀察到激發態螢光[16]。
0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
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Peak Energy of G.S. (eV)
(Pex)1/3 (mW)1/3
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CL Thickness (nm)
(b)
Normal PL Intensiy (a.u.)
Time (ns)
0 nm T= 12 K
10 W (a)
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3.1.4 量子點模擬計算結果
為了瞭解披覆層厚度對於電子電洞的影響，在此我們利用八能帶k p 理 論進行模擬計算。我們設定 InAs 量子點為晶面{101}面上的截角金字塔型，
而 GaAs0.8Sb0.2 CL 則在量子點上維持固定的厚度。計算中的材料參數均採 用文獻[20]中的值，而無應變的價電帶能量差(valence band offset，VBO)及 變形位能(deformation potential)則分別參照文獻[21]及[22]。計算中也考慮了 應變所引起的壓電偏極化(piezoelectric polarization)現象。
為了釐清披覆層厚度對於電洞的影響以及電子隨量子點尺寸的改變，我 們進行了兩部分的計算。首先，我們考慮固定量子點的大小(h=3.5 and b=14 nm)而改變披覆層厚度從 t = 0~10 nm。【圖 3.1-6(a)~(b)】所示為不同披覆層 厚度在(110)平面上的基態電子電洞波函數分佈圖。對於披覆 GaAs 的量子 點而言，電子與電洞均被良好的侷限於量子點中且波函數重疊率高達 98%。
隨著披覆層厚度的增加，電子的波函數沒有太大的改變，而電洞波函數則 會逐漸滲出並進入 GaAsSb 披覆層，此係由於在 GaAsSb 層中較低的電洞 位能所致更進一步增加披覆層厚度從 5~10 nm，電洞波函數更往磊晶方向滲 出是因為受到應變在 GaAsSb 披覆層分佈的修正所造成的。更進一步觀察 受到應變影響下的導電帶與價電帶的分布如【圖 3.1-7】。由圖可知導電帶分 布隨披覆層增加並沒有太大的改變，但披覆層增加為 2.5 nm 時價電帶最低 點從原來的量子點內變成了量子點側邊並隨著披覆層的增加逐漸遠離量子
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點，這是由於能帶排列及應變所造成的 。換句話說，隨著披覆層增加電子 能階及波函數幾乎沒有改變。【圖 3.1-6(c)】中的實線為波函數重疊率計算 的結果，披覆層厚度從 2~5 nm 波函數重疊率有逐漸減小的趨勢，當披覆層 厚度大於 5 nm 時披覆層厚度與波函數重疊率之間的影響就越來越弱，與我 們觀察到的實驗數據(solid symbols)一致。【圖 3.1-6(d)】為發光能量計算的 結果，也觀察出隨披覆層的增加有紅移的趨勢。披覆層 0~10 nm 總紅移量 是 140 meV 是小於實驗得到的紅移量(250 meV)。
實際上我們也計算了不同量子點大小與尋找次要紅移因素。披覆厚度不 同最主要影響電洞能階的改變，但不能解釋觀察到發光能量全部紅移的原 因。因此第二次的理論計算設置，我們更進一步考慮 TEM 的分析隨披覆 層厚度的增加導致量子點增大的趨勢[10]。除了量子點的尺寸外，全部的參 數設置仍保持相同。【圖 3.1-6】中的三角型標誌(open symbols)為第二次計 算的設置，其不論是在波函數重疊率或是發光能量上皆與實驗的值有很好 的一致性。這結果暗示著披覆層厚度的增加對量子點大小的修正在 InAs 量子點的光學特性演化上仍然扮演著不可忽略的角色。
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【圖 3.1-6】：不同披覆厚度(a)電子波函數分布，(b)電洞波函數分布，(c)波函數重疊率，
(d)發光能量。
【圖 3.1-7】：不同披覆厚度(a)導電帶位能分布(b)價電帶位能分布。
在室溫披覆 GaAsSb 披覆層厚度 2.5 nm 時，光激螢光光譜的發光峰
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值大約 1.3 m 而對於全光譜的積分強度大約為披覆 GaAs 披覆層的 7 倍。
這對於改善長波長的光學特性是非常吸引人的。雖然增加披覆了 GaAsSb 的量子點高度有助於延伸發光波長[9,10]，但 type-II 量子點的形成在高 Sb 含量反而會抑制發光強度的效率[3,4]。藉由對 GaAsSb 披覆層中的 Sb 含 量最佳化的研究可達到平衡[10]。在我們的研究中可藉由控制 GaAsSb 披 覆層厚度小於 2.5 nm 使發光波長延伸且仍保有 type-I 的特性。
21 (as-grown type-I)有明顯的紅移現象，此紅移現象來自於第二型能帶結構的 形成。
PL Intensity (a.u.)
Energy (eV)
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子點樣品，其 PL 的發光峰值相較於 as-grown type-II 的樣品，則呈現藍移
子點樣品，其 PL 的發光峰值相較於 as-grown type-II 的樣品，則呈現藍移