樣品成長與量測系統簡介

2-1 樣品成長及製作

2-1-1 MBE 成長 InAs/InGaAs dot in well 量子點系統

本篇論文的樣品都是由工研院所提供的，而所有的樣品都是由分子束 磊晶(Molecular beam epitaxy)機金屬氣相沉積法所成長的，其長晶所使 用的基板為(100)方向的n⁺-GaAs(10¹⁸cm^-3)基板，成長溫度固定在 600 ℃，

且QD、QW的長晶溫度設定為 600℃。成長的過程為先在GaAs基板上成長一 層 0.2 µm GaAs緩衝層(doping Si 10¹⁷ cm^-3)，之後再成長InAs QD，QD的 厚度為 2. 7ML，接著再長 60Å InGaAs QW蓋在QD上面，長完QW後再低溫長 20 秒的 (500℃)GaAs，最後再覆蓋 0.2 µm GaAs cap layer(doping Si 10¹⁷ cm^-3)。圖 2.1 是我們所成長的樣品結構圖及所對應的能帶圖。

2-1-2 離子佈植樣品的製備與退火處理

我們離子佈植用國家奈米實驗(NDL)的中電流離子佈植機所製作的。

使用的佈植能量為 160 keV，佈植的劑量分別為 10¹² cm^-2和 2×10¹³ cm^-2 兩種 劑量。

此外，考慮離子佈植時所遭遇之通道效應(channeling effect)，當 離子植入的入射離子對準試片主要晶格方向時，會產生部分離子打得特別 深的結果(稱為通道效應-channeling effect)，使得離子分布不穩，

就算植入角度只有少許的偏差，雜質分佈也會有很大的變化，因此一佈植 深度不易控制、雜質般在做離子佈植時，皆會盡量去避免此一情況的發 生。所以在做離子佈植時，為避免通道效應的發生與獲得具再現性的植入

雜質分佈，進行離子佈植時入射離子與試片主要晶格方向通常會偏 7 至 10 度。因此我們選擇的離子植入方向與試片主要的晶格方向約相差 7 度[27]。

佈植完成的樣品再使用快速退火系統(RTA：Rapid Thermal Annealing)進 行退火，退火的溫度分別為 650℃一分鐘和 750℃一分鐘。

2-1-3 蕭基接面(Schottky contact)製作

經由MBE成長樣品後，需在樣品表面蒸鍍金屬圖形(pattern)，使其形成 蕭基接面(Schottky contact)，再進一步量測元件的電性，元件的直徑我們使 用為 800μm(面積為 0.005024cm²) 。蒸鍍的金屬與樣品黏著是否良好，關 係金屬與半導體接面的電性，影響著我們一連串的量測結果的準確性，所 以蒸鍍前清洗樣品的工作是非常重要的。以下簡敘流程。

(1)置入去離子水(D.I. water)用超聲波震盪器震盪 5 分鐘 →去除一般雜質

(2)置入丙酮(A.C.E)溶液中用超聲波震盪器震盪 5 分鐘 →去除油漬。

(3)置入去離子水中用超聲波震盪器震盪 5 分鐘 →去除丙酮。

(4)將晶片放入稀釋過的鹽酸溶液(HCl:H20=1:1)中 10 秒 →去除陽離子以及表面的氧化層。

(5)置入去離子水中用超聲波震盪器震盪 5 分鐘 →去除殘餘的鹽酸溶液，並用氮氣吹乾。

清洗完成後，迅速將晶片放於載具(holder)上，放上金屬遮罩(mask) 固定後(事前先將載具跟金屬遮罩用丙酮擦拭過並用氮氣吹乾)一起放入 蒸鍍機中固定放好，接下來將清潔過後的鎢舟(Tungsten boat)及靶材鋁

放入蒸鍍機中，用pump將真空度抽到 5×10^-6 torr以下時即可以開始蒸鍍，

通電流約 50A加熱使鋁汽化蒸鍍在晶片上，如此即完成正面的Schottky contact製作。

2-1-4 歐姆接面(Ohmic contact)製作

完成正面Schottky contact的製作後，接著在樣品背面做ohmic contact。我們在已蒸鍍完成的樣品背面黏上二至三顆銦(Indium)球，送 入通入氮氣的高溫爐管(320℃)中約 10~30 秒鐘，再對背面任兩點銦做I-V 量測，再回爐管直到確定電阻降至小於 10 歐姆，這是為了避免背面電阻 過大影響量測。接著將矽基板放在加熱平台上加熱至 200⁰C(超過In熔點)，

均勻地塗上一層銦，藉著銦將樣品背面黏於矽基板上，即完成背面ohmic contact的製作。

2-2 量測系統簡介

2-2-1 光激發螢光量測系統(PL)

本篇論文所使用的 PL (Photoluminescence)量測系統是楊賜麟老師實 驗室所提供其中包含有：

(1) 固態雷射(solid-state laser)：波長為 532 nm，最大輸出功率 為 1.3 mW，雷射穩定度是在 1.9%以內，RMS 平均雜訊為 0.7%，驅動 電流 6 安培，為 CW 雷射，利用此雷射可以激發樣品的發光。

(2) 衰減濾光片組(Variable Neutral Density Filter)：為了要調 整入射雷射功率所以利用衰減片去控制我們的輸入功率。

(3) 光遮斷器(Optical chopper)：我們所使用的是 7/5 孔型式，固

定頻率在 500 Hz 其目的在於使連續波的雷射形成方波的型式。

(4) 聚光透鏡(Focus Lens)：利用聚光透鏡我們將雷射光聚焦在樣品 上。

(5) 溫控裝置：因為要量測低溫與變溫的光學特性，所以其中含低溫 系統，包含真空腔體(chamber)、降溫用壓縮機(compressor)、機械 幫 浦 (mechanical pump) 、 冷 卻 水 系 統 以 及 溫 控 器 (temperature controller)。系統的最低溫大約在 21 K，利用這些低溫系統我們可 以利用循環 He 的壓縮機與溫控器的加熱器相互配合可以控制我們所 想要的溫度來量測。

(6) 高通濾光片(Long-pass filter)：我們所使用的是 695 nm 的濾 光片，其目的為濾掉雷射光，避免其進入光偵測器中。

(7) 分光儀(monochromator)：型號為 ARC Spectro-275，聚焦長度為 27.5 cm 內部含有有三塊光柵，根據我們要實驗所需要的波段範圍決 定 光 柵 的 選 擇 ， 所 以 這 邊 我 們 所 使 用 的 光 柵 為 600 goove/mm(BLZ=1000 nm)。

(8) 光偵測器(photodetector)：使用的是 Electro-Optical Systems 公司所生產的 InGaAs 光偵測器，在 300 K 時所適用的波長為 800 nm 到 1800 nm。

(9) 訊號放大器(multi-meter)：將光偵測器所接收到的訊號放大。

(10) 鎖 相 放 大 器 (Lock-in Amplifier) ： 儀 器 型 號 為 STANDFORD RESEARCH SYSTEM SR850，其目的是在量測微小的交流訊號。

利用上面所提到的儀器，其設備架設如圖[2.2]所示，利用 PL 系統在 各溫度下可以針對我們的樣品做量測，也可以利用不同衰減倍率的濾光片 針對不同的雷射激發強度做量測。

電性量測系統

2-2-2 電流電壓量測(I-V)

量測樣品的電流與電壓特性是在電性量測實驗中的第一個步驟，在經 過前面的熱蒸鍍步驟之後，可以利用I-V特性的量測了解我們樣品在成長 與經過電極製備後其特性是否良好，利用蕭基接面的電流特性，我們可以 去擬合樣品的漏電流、串聯電阻r^s與理想因子n。

上式中I^s為逆向飽和電流。本篇論文利用KEITHLEY 236 作I-V進行量測，

文中有量測的樣品其理想應子大約在 1.0~1.4 之間，而漏電流大約在 10^-10 mA，串聯電阻約在 100~500 Ω。

2-2-3 電容與導納頻譜量測(C-V、C-F、G-F)

在蕭基接面下我們可以藉由調變其空乏區，即控制樣品的費米能階 (Fermi level)去量測樣品所反映出來的電容特性，接下來的量測都與樣 品的電容與導纳值有關。首先是 C-V 曲線，利用量測不同 DC 偏壓下的電 容值可以讓我們找出各區域的載子濃度變化，利用縱深變化圖可以初步了 解樣品其是否存在有載子侷限或是存在有大量缺陷空乏大量載子。而對頻 率的詳細研究便需要 C-F 與 G-F 量測，利用我們可以調變 AC 的頻率由 100 Hz 到 15M Hz，在不同的溫度之下可以藉由量測 C-F 與 G-F 頻譜探測載子 的時間常數。

藉由電容導纳對頻率的量測可以了解到缺陷在各個溫度下其不同的 輻射時間，進而求得其活化能

E

_a與捕獲截面積σ ，除此之外針對不同偏壓_n 下的量測也可以了解到缺陷所發生的區域。這邊我們所使用的儀器是 HP4194 阻抗/增益相位分析儀對我們樣品進行上面的量測，除了上面描述

的量測之外，transient 的量測也是利用此分析儀進行。

2-2-4 暫態電容量測(transient)

暫態電容量測所使用的原理很簡單，基本上是利用調變蕭基的空乏 區，當我們要量測缺陷放射載子時，先加上一個較小的 DC 偏壓(ㄧ般為小 的逆向偏壓)在經過一段填充時間(filling pulse width)之後，再將 DC 偏壓加到逆向大偏壓，此時空乏區擴大，原本捕抓載子的缺陷區域便會開 始釋放出載子，當 DC 調變回來時同時會有 AC 訊號加入開始量測電容變 化，因為缺陷釋放出自由載子為維持蕭基空乏區內的電中性，所以空乏區 寬度會漸漸變小，如此ㄧ來由前面的平行板電容公式可知隨著空乏區的縮 小電容值會慢慢變大，直到缺陷完全釋放完電子，但如果缺陷濃度極高如 dislocation…等，則電容值將不會飽和而 transient 將呈現對數的圖形，

反之如果電容值會飽和代表此缺陷是呈現 point defect 的特性為指數變 化。另ㄧ方面想量測缺陷捕抓載子的特性，只需將前面所加的偏壓交換，

變形成量測缺陷捕抓載子的特性。藉由量測完的圖形我們可以利用下面的 公式去擬合缺陷放射與捕抓時間：

/1

0 1

y

=

y

+

A e

⁻t^τ

上式中 是我們所量測到的時間常數，當缺陷放射載子時 是大於零，反 之當其捕抓載子時 是小於零的。當存在不只單一個缺陷被量測到時，可 以增加後面的指數相，代表著同時有兩個時間常數被量測到。

t

1

A

₁

A

1

2-2-5 深層能階暫態電容量測(DLTS)

最後是我們的深層能階暫態電容量測，這個量測與 transient 的量測

量測最大電容變化值的溫度，藉由儀器我們可以調整我們的速率窗(rate window)，控制量測的放射時間常數τ，當其電容變化最大值時代表其缺陷 在最大變化值的溫度下放射載子的時間常數與我們所設定的時間常數最 接近，如此ㄧ來便可以找出我們所設定的時間常數其對應的溫度範圍。

DLTS 可以量測多數(majority carrier)與少數(minority carrier)載子的 缺陷，同時其靈敏度很高尤其是較深層的能階也可以被觀察到，所以廣泛 運用在半導體的缺陷量測。

在文檔中 氮離子佈植InAs量子點特性研究 (頁 16-23)