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(1018cm-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 0.2 µm GaAs 緩衝層(buffer layer，Si doping：1017 cm-3) (2). 之後成長不同厚度 InAs QD，分別為 2.7 ML 及 3.3 ML
(3). 接著再以相同溫度覆蓋上一厚度為 60Å 的 In0.15Ga0.85As QW (4). 然後低溫(500 )℃ 成長20 秒的 GaAs
(5). 最後升回 600℃，覆蓋 0.2 µm GaAs cap layer(Si doping：1017 cm-3)。
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 聚焦在分光儀的狹縫中進行分光，且在光進入狹縫前，另外使用一片695 nm 的高通 濾光片以濾掉雷射光，以避免其對訊號產生干擾，之後螢光再經由光偵測器去接收，
傳送至鎖相放大器處理後再傳回電腦而存檔。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。
2-2-2 電流電壓量測(I-V)
以下介紹本研究的電性量測系統。首先，樣品的電流與電壓特性是電性量測實 驗中的首要步驟，可利用 I-V 特性的量測了解我們樣品在成長與經過熱蒸鍍等電極 製備後其特性是否良好，作為其他電性量測的參考依據。主要是利用蕭基接面的電 流特性，來擬合樣品的漏電流(leakage current)、串聯電阻 rs (series resistance) 與理想 因子n (ideal factor)，Schottky 電流公式如下：
上式中 Is 為逆向飽和電流(saturation current)，V 為順向偏壓，k 為波茲曼常數 (Boltzmann’s constant)。本篇論文利用 KEITHLEY 236 作 I-V 量測，本量測的樣品其 理想因子大約在1.0~1.4 之間，Schottky 特性算不錯，而漏電流大約在 10-10 mA，串
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 限能階的活化能(activation energy)及捕捉截面積(capture cross section)。根據數學推導 的結果，電容及電導對應頻率的公式如下[27,28]：
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，C(t) measurement 的量測也是使用此分析儀)。
2-2-5 暫態電容量測(C(t) measurement)
暫態電容量測的原理：利用調變蕭基的空乏區，來控制載子進出缺陷，以量測 缺陷釋放載子或捕捉載子的時間。例如量測缺陷放射載子時：
1. 首先樣品處於一逆向偏壓，建立一段空乏區。
2. 加入一順向脈衝(減小逆向偏壓值)，注入載子，空乏區減小，電容變大，載子被 空乏區內的缺陷捕捉住。
3. 經過一段填充時間(filling pulse width)後，恢復原先的逆偏，被捕捉的載子還來不 及被激發，因此為了維持電中性電場平衡，空乏區會比原先大，電容也因而更小。
4. 足夠時間後，多數載子由於熱激發慢慢被釋放，電容也隨之增加，慢慢飽和呈現 指數變化(point defect 的特性)。
但如果缺陷濃度極高如dislocation…等，則電容值將不會飽和而 C(t) measurement 將 呈現對數的圖形。另ㄧ方面量測缺陷捕抓載子時，只需將前面所加的偏壓交換即可。
藉由量測完的圖形則利用下面的公式去擬合缺陷放射與捕捉時間：
-t) exp(
A y y
1 1
0+ τ
= (2-6) 上式中τ1 是量測到的時間常數，當缺陷放射載子時 A1<0，反之當其捕抓載子時 A1>0。當存在不只單一個缺陷被量測到時，可以增加後面的指數項，代表著同時有 兩個時間常數被量測到。
2-2-6 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 制與C(t) measurement 相同：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 1010cm-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 在毫秒等級的)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 樣品結構及所對應之能帶圖
InAs QDs
(2.7 ML & 3.3 ML) (MA044) (MA043)
0.2 µm n-GaAs (Si : 1x1017cm-3)
n+-GaAs substrate
0.2 µm n-GaAs (MA044) (MA043)
0.2 µm n-GaAs (Si : 1x1017cm-3)
n+-GaAs substrate
0.2 µm n-GaAs