2-1 樣品製備
樣品製備分為量子點樣品的成長與正極蕭基接面 ( Schottky contact ) 及負極歐 姆接面 ( Ohmic contact ) 的電極製作
2-1-1 樣品成長
樣品是由工研院所提供，由分子束磊晶 ( Molecular beam epitaxy ) 成長的，長 晶所使用的基板為(100)方向的 n+-GaAs ( 8×1016 cm-3 )，基板成長溫度固定在 600 ℃，
而 QD、QW 的長晶溫度則設定為 485~500℃。成長的步驟：
(1). 先在 GaAs 基板上成長一層 0.3 µm GaAs 緩衝層 ( buffer layer，Si doping：8×1018 cm-3 )
(2). 之後成長 2.2 ML InAs QD，同時以射頻電漿 ( RF Plasma ) 游離氮分子的方式將 17% 的氮原子加入 InAs QD layer。
(3). 接著再以相同溫度覆蓋上一厚度為 60Å 的 In0.18Ga0.82As QW
(4). 最後升回 600℃，覆蓋 0.3 µm GaAs capping layer ( Si doping：8×1018 cm-3 )。
(5). 此外並將樣品做熱退火處理 ( RTA )，分別為 700℃ 2 分鐘，800℃ 3 分鐘 本論文成長的樣品結構圖及所對應的能帶圖如圖 2.1 所示。
2-1-2 電極製作
成長完的樣品由於電性量測的需求，有製作電極的必要。主要是利用熱蒸鍍方 法在樣品的正面鍍上 Al 形成蕭基接面，利用逆偏壓來調變蕭基接面所形成的空乏區，
來量測樣品不同區域的特性。除此之外仍然需要在樣品的背面製作歐姆接面，以便 做訊號的量測。另外在製作電極前還需要一連串清理的步驟，以免影響半導體與金
屬的接面，造成實驗的誤判。主要步驟如下：
(1). 配合使用石英震盪器，沖泡去離子水 ( D.I water ) 約 3 分鐘 ( 去除表面一般雜 質 )，並用氮氣吹乾。
(2). 將試片浸泡於丙酮溶液 ( Acetone ) 中約 2~3 分鐘，去除表面油漬。
(3). 沖泡去離子水，約 3 分鐘 ( 去除殘留之 Acetone )，並用氮氣吹乾。
(4). 置入稀釋過的鹽酸溶液 ( HCl：H2O =1：1 ) 中約 2~3 分鐘 ( 去除陽離子及氧化 層)。
(5). 沖泡去離子水約 3 分鐘 ( 去除殘留的酸液 )，並用氮氣吹乾。
(6). 經過清理後的樣品，於其上覆蓋所需要的 mask 來決定金屬接面的面積大小。
(本篇論文中所量測的面積大小為 0.005024 cm-3)
(7). 置入蒸鍍機內，使用機械幫浦 ( mechanical pump ) 及擴散幫浦 ( diffusion pump )，待抽真空至 2~3x10-6 torr 以下，再開始以熱蒸鍍的方式鍍上 Al。
(8). 另外歐姆接面則是使用 In，先在樣品的背面上點上兩個 In ball，經過高溫爐管約 300 ℃的加熱後，量測兩個 In ball 間的電阻值使低於 10 Ω，具有歐姆特性，再 將之置於均勻塗滿 In 的 Si 基板上。以上為電性量測所需的樣品製備。
2-2 量測系統簡介
本研究主要分為光性量測與電性量測，分別在 2-1-1 節及 2-2-2 節以後做介紹。
2-2-1 光激發螢光量測系統(PL)
本論文使用的 PL (Photoluminescence)量測系統是楊賜麟老師實驗室所提供的，
其中依實驗需求所使用的儀器設備包含：
(1). 固態雷射 ( solid-state laser )：為 Excel 公司生產，型號為 LOC-VENTUS 1000 SERIES，為 CW 雷射，波長 532 nm，最大輸出功率 1.3 mW，雷射穩定度在 1.9%
以內，RMS 平均雜訊為 0.7%，驅動電流 6 安培，主要利用此雷射來激發樣品
發出螢光而偵測。
(2). 衰減濾光片組 ( Variable Neutral Density Filter )：利用衰減片來控制、調整想要 的雷射輸入功率。
(3). 光遮斷器 ( Optical chopper )：目的在於使連續波的雷射形成方波的型式，所使 用的型號為 NEW FOCUS 3501，7/5 孔型式，固定頻率在 500 Hz。
(4). 聚焦透鏡 ( Focus Lens )：利用聚光透鏡將雷射光聚焦在樣品上。
(5). 溫 控 裝 置 ： 主 要 為 了 量 測 低 溫 與 變 溫 的 光 學 特 性 而 設 置 ， 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 )。系統的最低溫約在 10 K，可利 用循環 He 的壓縮機與溫控器的加熱器相互配合以便控制所想要的溫度進行量 測。
(6). 高通濾光片 ( Long-pass filter )：我們所使用的是 695 nm 的濾光片，目的為濾掉 雷射光，避免其進入光偵測器中 ( 因為螢光相較於雷射光是屬於非常微弱的 光 )。
(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，為 600 goove/mm ( BLZ=1000 nm )，主要是根據實驗所需 的波段範圍來選擇。
(8). 光偵測器 ( photodetector )：使用 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，目的在量測微小的交流訊號。
PL 設備架設如圖 2.2 所示，首先由固態雷射發射波長為 532 nm 的雷射光，經由 實驗需要調整好倍率的衰減片，來降低雷射輸出功率，然後經由光遮斷器對雷射光 進行調變，並將光遮斷器的頻率送至鎖相放大器作為參考頻率，經過光遮斷器的雷
射光經由第一面透鏡聚焦在樣品上，進而激發樣品放射出螢光，再經由第二片透鏡 ( Boltzmann’s constant )。本篇論文利用 KEITHLEY 236 作 I-V 量測，本量測的樣品其 理想因子、漏電流、串聯電阻如下表。
Ideal factor ( n ) leakage current series resistance ( rs )
As-grown 1.4 5 × 10-9 A 380 Ω
RTA 700 1.4 7 × 10-11 A 350 Ω
RTA 800 1.4 6 × 10-10 A 200 Ω
2-2-3 電容電壓量測 (C-V)
其中 W 為空乏區寬度，ε為半導體介電係數(permittivity)，A 為元件面積(0.005024 cm2)，N(W)為空乏區為 W 時的載子濃度。
其中ω為量測頻率，en為電子放射率 ( emission rate )，由式子看出當ω<<en時，缺 陷可隨交流偏壓來捕捉或放射電子，缺陷對電容便有貢獻；當ω>>en 時，則對量測 頻率無響應。另外由(2-4)式電容對 log(ω)的關係圖中，反曲點會落在ω=2en上，(2-5) 式ω=2en 時也會得到最大的 G(ω)/ω值 C0/2，可藉此得出不同溫度的 en。(使用 HP4194 阻抗/增益相位分析儀做以上的量測。
2-2-5 深層能階暫態頻譜量測(DLTS)
DLTS 技術在 1974 年首先由貝爾實驗室的 D. V. Lang 在 J. A. P.提出[29]，主要機 制：利用週期性變化電壓施加於樣品上，改變樣品空乏區的大小，在連續不斷的暫 態電容量測中，找出隨溫度變化時的最大電容變化值的溫度，來獲得深層缺陷的資 訊[30]。優點：靈敏度高 ( 可到 1010 cm-3之濃度偵測範圍 )、能測多數與少數載子、
觀測 defect 能階範圍廣、尤其是較深層的缺陷能階 ( emission time 在毫秒等級 ) 也 能夠被精準量測到，提高信號對雜訊的比值 ( S/N ratio ) 等。DLTS 技術主要是給定 兩時間 t1 與 t2，固定 t2/ t1，改變 t1 與 t2 來設定不同速率窗 ( 利用雙閘訊號平均器 設定 )，電子發射速率 en隨著系統溫度變化而改變，只有當 en剛好落在所設之速率 窗中，量測系統才達到峰值，即有
t1 -t2 ln(t2/t1)
en,max 。當溫度很低時，ΔC 變化幅度很 小 ( ΔC~0 )，當溫度很高時，ΔC 變化幅度又太快 ( ΔC~0 )，只有當溫度在特定 範圍，ΔC 變化才最大，與我們所設定的時間常數最接近。設定不同 t1 與 t2 來改變 不同速率窗 ( rate window，即 en,max-1 )，獲得多組不同 en,max與峰值溫度數據，可同 樣求出缺陷活化能與捕捉截面積。
圖 2-1 樣品結構圖及能階圖
PC
鎖相放大器
(測微小交流訊號)
光偵測器
分光儀 Laser
衰減片
(降雷射功率) Chopper (成方波)
聚焦透鏡 Long-pass filter
(濾掉干擾雷射光)
真空冷卻
第三章 InAs/InGaAs 結構在光性分析
3-1 As-grown 的光性
圖 3-1 比較 InAs QDs 與 InAsN QDs 室溫 PL 圖，可發現三點特別的地方: (1) InAsN QDs 的 PL 位置和未摻入氮的 InAs QDs 比較，並沒有發生一般摻入氮樣品所 發生的紅移現象，關於這點，可由圖 3-2 (a) 的 TEM 分析中得到解釋。我們發現 InAsN QDs 的高度降為 3nm，這個尺寸與一般量子點大小 ( ~10nm ) 相比小了許多，推測 這正是為何沒有發生波長變長的原因；而我們發現這麼小尺寸的量子點卻有跟正常 量子點相近的發光波長，推測這是摻入氮所造成的貢獻。(2) 由於氮原子在量子點中 分佈的不均勻[33,34]，以及量子點的大小不均如圖 3-2 (a)，所以會造成 PL 的訊號下降、
FWHM (full width at half maximum) 很寬的現象發生；再者，因為氮的體積較小，會 在 結 構 中 造 成 一 些 點 缺 陷 ( point defect ) ， 這 些 點 缺 陷 正 是 非 輻 射 性 發 光 ( non-radiative centre) 的主要成因。(3) 在低能量區域，有一個不同於量子點的訊號 產生，在文獻[24,28]中提到高濃度的氮，本身會發生群聚現象，因而在 InAsN 的導帶 附近產生一些侷限載子的能階[35] ，相信在 PL 中所見的低能量訊號正為此所貢獻，
這些能階我們稱之為 localized states。
而對量子點周圍進行 TEM 的傅立葉轉換分析由圖 3-2(b)，可發現存在的許多錯 位差排缺陷 ( misfit dislocation defect )，但這些缺陷的影響無法由光性量測分析，將 在下一章以電性量測加以討論。
圖 3-3 為我們對樣品在室溫下以高功率的光源量測的結果，以高斯進行擬合可清 楚看見三個發光能階，分別為 capping layer、InAsN 量子點及氮所產生的 localized states，藉由 Varshni equation[36] 和 band offset ratio[37] ，可知 As-grown 的能階示意 圖如圖 3-4 所示。
圖 3-5 為在變溫量測下的 PL 結果，隨著溫度上升能隙會因而減小，因此可看到 capping layer 和量子點的訊號，因溫度升高而發生紅移趨勢。
3-2 As-grow 與 RTA 樣品的光性比較
圖 3-6 為 As-grown 樣品與 RTA 樣品的 PL 比較圖。我們可以發現隨著溫度改變，
三片樣品的 capping layer 和量子點的訊號皆發生紅移現象。並且在樣品經過 RTA 後 capping layer 和量子點的訊號與 As-grown 相比發生了藍移現象，這是因為熱退火過 程中，樣品內原子重新再排列所致[23]。
三個樣品最明顯的差別在於，量子訊號的增強，和 localized states 訊號的下降。
可以發現當熱退火溫度在 700℃時，量子點訊號漸漸顯現出來，而 localized states 訊 號和 As-grown 相比，尚未獲得很大的改善。當熱退火溫度達到 800℃量子訊號變得 非常強，且 FWHM 變得很窄，顯示此時的量子點的發光效率很好，圖 3-7 為 RTA 800 的 PL 圖轉換成對數尺度，可看出此時的 localized states 訊號非常微弱。
發光效率的改善，是因為熱退火讓原本不均勻分布在 InAs 量子點中的氮含量，
變得均勻分布在其中，以及因為摻氮而產生的點缺陷的減少。而熱退火的過程也會 使得樣品內部的 As-N 產生 interdiffusion 的效應[23] ，所以當熱退火溫度達到 800℃
時，我們量測到一個 FWHM 很窄且有藍移現象的 PL 圖，在一些文獻中[38]也指出熱 退火過程會使氮 ( N ) 聚集在銦 ( In ) 附近，因而產生 In-N 的聚集，而發生藍移現 象。
(a)
800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Intensity(a.u.)
Wavelength(nm)
InAs InAsN
T=300K InAs QDs
ground state
InAs QDs excited state
GaAs
InAsN QDs
localized states InAsN
圖 3-1 InAs QDs 與 InAsN QDs 室溫 PL 比較圖
InAsSb(1.4)
InAs
InAsN
QD (3 nm)
wetting layer
QD (7 nm)
(a)
(b)圖 3-2 (a) InAs QDs 與 InAsN QDs TEM 比較圖 (b) fast Fourier filtered
800 1000 1200 1400 1600 1800 0.00
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08
(B) (C)
PL Intensity(a.u.)
Wavelength(nm) As grown
Power = 25mW T=300K
GaAs
nm
(A)
(A) InGaAs , ~ 1067 nm capping layer
(B) InAsN QDs , ~ 1183 nm (C) localized states , ~ 1300 nm
圖 3-3 室溫高功率的 PL 圖
圖 3-4 As-grown 能階示意圖
10 K 30 K 50 K 70 K 90 K 120 K 150 K 180 K 210 K 240 K 270 K 300 K
800 1000 1200 1400 1600
0.00 0.01 0.02 0.03 0.04
PL Intensity (a.u.)
As grown
Power =10 mW
InGaAs capping layer
localized states QDs
圖 3-5 As-grown 變溫 PL 圖
圖 3-6 As-grown 與 RTA sample 的 PL 比較圖
800 1000 1200 1400 1600
0.00
PL Intensity (a.u.)
Wavelength (nm)
800 1000 1200 1400 1600
0.00 0.01 0.02 0.03 0.04
PL Intensity (a.u.)
As grown
Power =10 mW
InGaAs capping layer
localized states QDs
800 1000 1200 1400 1600
0.0000
PL Intensity (a.u.)
RTA 700
Power = 60mw InGaAs capping layer
QDs
localized states
800 1000 1200 1400 1600 1800 10-3
10-2
GaAs
PL Intensity(a.u.)
Wavelength(nm)
20K 40K 60K 80K 100K 120K QDs
capping layer
localized states
圖 3-7 RTA 800 的 PL 圖( logarithmic scale )
第四章 熱退火的效應對電子放射機制的影響
由前章的光性分析中可知，熱退火的過程改善量子點結構，並降低因氮而產生 的 localized states。在電性分析中，我們同樣可以看到量子特性藉由熱退火過程的回 復，以及 localized states 的減少，經過熱退火後，電子放射的時間由本來的 10-1 s 減 為 10-4 s，小了有 2~3 個數量級之多。在經過熱退火過程的樣品中，也量測 As-grown 樣品所未見到的量子穿隧效應。
先前在傅立葉分析中所見到的錯位差排缺陷 (misfit dislocation defect )，其電子 放射機制，和活化能的大小，經過熱退火後也有明顯的不同。
4-1 電容電壓量測
圖 4-1 為 As-grown 樣品室溫變頻的 C-V 圖，在偏壓為-1 V 到-2.5 V 間有一個頻 率響應的電容平台出現，經由圖 4-2(a)轉縱深的結果，可看出在頻率為 500 Hz 時有 兩個載子侷限的訊號出現，分別位於圖 4-1 中-1.3 V 及-1.5 V 的位置，配合圖 4-2(b) 發現隨著量測頻率加大-1.5 V 的訊號會漸漸消失，當頻率達 3 kHz 訊號只剩一個，並 且-1.3 V 的訊號位置變化不太明顯，代表載子速度較快可以趕上 AC 訊號的調變。固 -1.3 V 的訊號由量子點所貢獻，而-1.5 V 的訊號由 localized states 所貢獻。
由圖 4-3 As-grown 樣品與 RTA 樣品的 C-V 圖比較圖中，看到 RTA 的樣品出現 了兩個明顯的頻率響應平台，如同 PL 量測中所見，快速熱退火的過程增強量子訊號，
由圖 4-3 As-grown 樣品與 RTA 樣品的 C-V 圖比較圖中，看到 RTA 的樣品出現 了兩個明顯的頻率響應平台，如同 PL 量測中所見，快速熱退火的過程增強量子訊號，