深層能階暫態頻譜量測(DLTS)及自生載子中心的存在

第三章量子井內部能帶結構及缺陷分析

3.2 量子井 C-V 平台的位移

3.2.2 深層能階暫態頻譜量測(DLTS)及自生載子中心的存在

圖[3.8] 各別為 120Å 樣品在不同偏壓下固定 filling pulse 及速率窗(rate window)的 DLTS 圖形；圖[3.9]及圖[3.10]為不同偏壓下的阿瑞尼士圖(Arrhenius plot)及對應的缺陷活化能(activation energy)和捕捉截面積(capture cross section)。

在此阿瑞尼士圖中我們參考了陳乃權學長在 1998 年發表的一篇 paper，文中提到

在低溫成長的 GaAs 中量測到一群缺陷，其電子與電洞的活化能分別為 0.66eV 及 0.77eV，加起來正好是 GaAs 的能隙，因此認為這群缺現為自生載子中心 (generation center)。由 120Å 的阿瑞尼士圖可發現，樣品中的缺陷與 paper 中的缺陷屬於同一群，因此 120Å 中也存在自生載子中心。

而當溫度升高時，Top n-GaAs 層中作為自生載子中心(generation center)的缺陷便會產生電子-電洞對(electron-hole pair)。電洞會被電場掃至樣品表面，因此可忽略 其造成的電位差；而電子會在量子井前的 Top n-GaAs 層中與 N_d中和，產生中性區(neutral region)，使得 Top n-GaAs 層的空乏區回縮，在固定偏壓下，量子井後的能帶將會傾斜而在空乏區邊緣及量子井間形成多餘的正電荷以維持樣品內部

其中∆V為量子井後產生的電位差；其中⁡𝑁_𝐷⁡為 n-GaAs 的摻雜濃度(#/Area³)；𝑉_𝑏𝑖⁡與

⁡𝑉_𝑅 為金屬-半導體接面的內建電位障(built-in potential barrier)與儀器所給的外加逆向偏壓。由上式可觀察到，隨著𝐿(𝑡)逐漸縮短，∆V會逐漸變大，因此費米能階便會提早調變到量子井中的電子而在電容-電壓量測中形成平台。

GaAsN(N=1.8%) as grown T=30K ; Power=6.5mW

250A 120A 60A

60A

圖[3.3] 250Å as grown、RTA600 及 RTA700 的 PL 圖形

0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 0.00

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

RTA700

RTA600

Intensity (a.u.)

Energy (eV)

250A(1.8%); T=30K as grown RTA600 RTA700

1.209 eV

1.214 eV 1.202 eV

as grown

60A(1.8%)_Dark f=100kHz

0.24 0.22 0.20 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10

1E16

120A(N=1.8%) as grown f=100kHz

250A(N=1.8%) as grown f=5kHz

圖[3.7(a)] 120Å 在低溫下，給定一固定逆向偏壓的能帶示意圖

圖[3.7(b)] 升溫時，generation center 產生電子至 Top n-GaAs 層

120A(1.8%) as grown filling pulse=100ms

100 150 200 250 300 350 400

-100

120A(1.8%) as grown filling pulse=100ms

圖[3.9] 120Å 在不同偏壓下的阿瑞尼士圖 C

圖[3.10] 120Å 在不同偏壓下缺陷的活化能及捕捉截面積 C

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0

10^-2 10^-1 10⁰ 10¹ 10² 10³ 10⁴ 10⁵

0.66eV

1000/T(1/K)

T2 (s-K2 )

-1V/0V -2V/-1V -3V/-2V 0.77eV 0.66eV Defect 1 Defect 2 Defect 3 0.77eV

第四章

GaAsN 量子井光激發載子的來源與機制

4.1 GaAsN 量子井的光電容來源

在瞭解了量子井 C-V 平台往小偏壓座移動的原因之後，我們開始進入本篇論文的核心議題「GaAsN 量子井光激發載子的特性與傳輸行為」。在第二章及第三章中，我們已經介紹了 C-V 量測的原理：利用儀器給定的外加逆向偏壓來改變樣品的空乏區大小，以量測空間中各區域的載子濃度變化。然而，若對量子井樣品做 C-V 量測時，同時給予樣品做照光的動作，C-V 曲線會有向上抬升的現象，此即光電容ΔC 的貢獻，如圖[4.1]所示。為了研究不同厚度的量子井結構與光電容之間的關係，我們利用「光激發電性量測系統」(如圖[2.3])對樣品做變波長的光激發電性量測。圖[4.2(a)]、圖[4.2(b)]、圖[4.2(c)]各為厚度 60Å 、120Å 、 250Å 的 GaAsN 量子井樣品在低溫 78K 下的光電容(ΔC)量測。由圖中可觀察到：

在不同偏壓下，發生光電容的激發光波長十分一致；然而，不同於 60Å 和 120Å ，其發生光電容的激發光波長在 1.3eV 以上，250Å 則是在 1.2eV……

在第三章中，我們已從不同厚度的量子井樣品的 PL 及 C-V 量測中得知，

250Å 內存在最多的缺陷。在本篇論文撰寫之前，對於光電容的來源一直是個未解的謎題：其來源究竟是量子井又或者是缺陷？為了解決這個問題，我們對缺陷最多的 250Å 做快速熱退火(rapid thermal annealing=RTA)的處理。眾所皆知，快速熱退火可消除樣品中的缺陷，這樣一來，我們就能將光電容的來源於量子井和缺陷之間做出區隔。於圖[3.3]可觀察到經過熱退火處理的樣品，在低能量的 PL 訊號(V_Ga的點缺陷)明顯下降，而量子井的 PL 訊號也隨著熱退火的溫度上升而變好。我們將 250Å as grown(未作熱退火)、RTA600(熱退火溫度 600°C, 3min)及 RTA700(熱退火溫度 700°C, 3min)作光激發的 C-V 量測，激發光源為 LED 燈，波

長為 1.32eV。使用發光波長為 1.32eV 的 LED 燈當激發光源的原因為：LED 的功率(power)較大，且 1.32eV 包含量子井的發光能隙及 1.3eV 的 VGa缺陷；如此一來，便能看到存在大量缺陷的 as grown 樣品與缺陷大量降低的 RTA600 和 RTA700 在作光激發的 C-V 量測時的差異。其量測結果如圖[4.3(a)]、圖[4.3(a)]

及圖[4.3(a)]。由圖中可明顯發現到，隨著熱退火的溫度升高，光電容也跟著下降，

RTA700 更是幾乎看不到光電容的貢獻。此一結果顯示，光電容的成因，與樣品中的 V_Ga缺陷有很大的關係。

4.2 GaAsN 量子井的光電容機制

在上一節中，我們對不同厚度的量子井樣品作光電容的量測，發現 250Å 不同於 60Å 和 120Å ，其發生光電容的光激發能量始於 1.2eV。然而，由 250Å 經過熱退火處理的樣品得知，光電容的來源為樣品中的 VGa 缺陷。既然如此，為何 250Å 的光電容抬升位置不是在 1.3eV 呢？在此節，我們針對 250Å 這片樣品作更深入的探討。

圖[4.4]為 250Å 在低溫(30K 至 120K)的 PL 圖。由圖中可觀察到，其量子井的發光波長為 1.21eV，正好接近其發生光電容的光激發能量 1.2eV，這一結果顯示：雖然光電容的來源為樣品中的 VGa缺陷，但在 250Å 這片樣品中，量子井也和光電容存在某種關係。為了區別出量子井與缺陷對光電容的貢獻，我們拿 1.16eV 的 LED 當激發光源作光激發 C-V 量測。圖[4.5] 是 250Å as grown 在低溫 80K 時的 PL 圖與 1.16eV 的 LED 波長分布比較。由圖中可看出，1.16eV 的 LED 燈波長分布涵蓋了大部分的量子井 PL 訊號，且低於 1.3eV，如此一來，便能做僅激發量子井發光能隙的電性量測。圖[4.6(a)]及圖[4.6(b)]為 78K 時，250Å as grown 樣品用 1.16eV 作激發光源的 C-V 量測及縱深分布圖的結果。由圖中可觀察到，當激發光源的功率達到 0.3mW(驅動 LED 的電流=2.6mA)時，C-V 的量子井平台已明顯飽和；縱深分布圖也顯示，當激發光源的功率大於 0.3mW 以上，

載子侷限的濃度已達定值，改變的只是載子侷限的空間位置。關於縱深分布圖上載子侷限位置的移動，留待之後討論，我們現在著重於量子井中載子濃度變高的議題上。既然 1.16eV 的激發光源能夠使得量子井中的載子濃度增加，我們更進一步利用不同的量測速率作 C-V 量測。圖[4.7(a)]及圖[4.7(b)]為激發光源為 0.3mW(驅動 LED 的電流=2.6mA)時，不同量測速率的 C-V 圖及縱深分布圖：可觀察到，若量測的速率越快，受調變的載子越少─這是缺陷的一項重要特徵。此一量測結果更加證實了 250Å 的量子井結構確實與光電容的來源─缺陷間存在強烈的交互作用。此一特殊現象，我們利用圖[4.8]的能帶示意圖來解釋。圖[4.8(a)]

為未照光時的能帶圖，由第三章的討論已知，250Å 的量子井結構由於太厚，其量子侷限的能階幾乎在 GaAsN 的導帶上，所以此時的量子井可以說是沒有侷限任何載子。然而，當此樣品受到光激發時，會將 V_Ga缺陷中的電子激發到量子井中，留下正電荷在缺陷，如圖[4.8(b)]。由於費米能階還未調變到量子井中的載子，

僅調變到 GaAs 內的自由電子，因此 C-V 曲線的前段幾乎重合。隨著外加逆向偏壓的增加，當費米能階調變到量子井中的載子時，量子井平台開始出現，如圖 [4.8(c)]。因為缺陷中的電子躍遷所需的時間較長，甚至接近 C-V 量測的速率，

這也能夠解釋為何 C-V 量測的越快，量子井平台越不明顯。

1.16eV 的 LED 光源只能激發缺陷中的電子到量子井中，若是用更高能量的激發光源會發生甚麼事呢？接下來，我們用 1.32eV 的 LED 光源作光激發的 C-V 量測。圖[4.9] 是 250Å as grown 在低溫 80K 時的 PL 圖與 1.32eV 的 LED 波長分布比較。由圖中可看出，1.32eV 的 LED 波長不僅涵蓋了量子井的發光波長，也包含了可激發 VGa缺陷中的電子至 GaAs 導帶上的能量 1.3eV。圖[4.10(a)]及圖 [4.10(b)]為 250Å as grown 的 1.32eV 光激發 C-V 圖與縱深分布圖。由圖中可觀察到，當驅動 LED 的電流達到 0.2mA 後，量子井的平台長度已不再隨 LED 的功率而增加，意即量子井中的電子已達飽和；然而，由縱深分布圖發現，與圖[4.6(b)]

(1.16eV 的激發光源)明顯不同的是，隨著激發光源功率的增加，其侷限載子的空

間位置一直往樣品表面靠近。我們利用第三章推測的模型來解釋這一特殊現象。

圖[4.11(a)] 為 250Å as grown 照小功率的 1.32eV 激發光時的能帶圖，此時的費米能階還未調變到量子井中的載子；隨著逆向偏壓的增加，費米能階將會調變到量子井中的電子，於是 C-V 的量子平台便會產生，如圖[4.6(a)]。然而，量子井中的狀態密度是有限的，當量子井中各能態位階都被電子佔據時，量子井的侷限能力就會達到飽和，而平台長度也達到了最大值。當 LED 的功率繼續加大時，由缺陷產生的電子已經無法再繼續填入量子井中，便會填入 Top n-GaAs 層中，使得量子井前的空乏區縮短，產生中性區；在定偏壓下，量子井後方的能帶便會傾斜形成多於的正電荷以維持電場平衡，因此費米能階便會提早調變到量子井中的電子，使得 C-V 平台提早出現，而縱深分布圖中載子侷限的位置變會一直往樣品表面靠近，如圖[4.11(b)]。

在上節的第一段有提到，250Å 不同於 60Å 及 120Å ，其發生光電容的位置始於 1.2eV，也就是量子井的發光波長。造成此差異的原因為，250Å 的量子井結構太厚，其量子能階幾乎在 GaAsN 導帶底部，因此在未照光時，量子井中幾乎沒有侷限任何電子，光激發電子才有機會躍遷至量子井中；至於 60Å 及 120Å 的量子井因為在未照光時已侷限了許多電子，因此光激發電子便無法填入量子井中。

圖[4.1] 照光時的 C-V 圖形 C

圖[4.2(a)] 60Å 在不同偏壓下的光電容 C

0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 -20

0 20 40 60 80 100

C(pF)

Energy(eV)

60A(1.8%) as grown f=100kHz ; T=78K Bias(V)

-1 -2 -3 -4 -5

120A(1.8%) as grown f=500kHz ; T=78K

35 250A(1.8%) as grown f=500kHz ; T=78K

400 250A(1.8%) as grown_LED=1.32eV T=120K ; f=500kHz

Dark

250A(1.8%) as grown_LED=1.16eV T=77K ; f=500kHz

圖[4.6(b)] 250Å as grown 的 1.16eV 照光縱深分布圖

圖[4.7(a)] 250Å as grown 改變量測速率的照光 C-V 圖

0.85 0.80 0.75 0.70 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 1E16

1E17 1E18

250A(1.8%) as grown_LED=1.16eV T=77K ; f=500kHz

250A(1.8%) as grown

LED=1.16eV ; Power=0.3mW(2.6mA) T=77K ; f=500kHz

圖[4.7(b)] 250Å as grown 改變量測速率的照光縱深分布圖

圖[4.8(a)] 250Å as grown 未照光時的能帶圖

0.75 0.70 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40

1E16 1E17

250A(1.8%) as grown

LED=1.16eV ; Power=0.3mW(2.6mA) T=77K ; f=500kHz

sweeping rate 1 2 4 8

N d(cm-3 )

Depth(m)

圖[4.8(b)] 250Å as grown 照光時的能帶圖(還未調變到 QW 中的載子)

圖[4.8(c)] 250Å as grown 照光時的能帶圖(已調變到 QW 中的載子)

400 250A(1.8%) as grown_LED=1.32eV T=120K ; f=500kHz

Dark

圖[4.11(a)] 250Å as grown 照小功率的光時的能帶圖(還未調變到 QW 中的載子) 圖[4.10(b)] 250Å as grown 的 1.32V 照光縱深分布圖

0.7 0.6 0.5 0.4 0.3

1E15 1E16 1E17 1E18

N d(cm-3 )

Depth(m)

250A(T=120K) f=500kHz

Dark 0.1mA 0.2mA 1mA 2.6mA 9.6mA

圖[4.11(b)] 250Å as grown 照大功率的光時的能帶圖(提早調變到 QW 中的載子)

第五章

總結

本篇論文主要講述的內容為 GaAsN 量子井結構中的載子分布變化及特性。

其分為兩個部份討論：未照光及照光後(受光激發)的 C-V 圖形。首先，我們對 60Å 、120Å 、250Å 三片不同厚度的 GaAsN 量子井樣品做了未照光時的 C-V 量測。由量測結果發現 120Å 的量子井平台會隨著樣品溫度的升高而往小偏壓做移動。於是我們對此樣品做了 DLTS 量測，並算出其缺陷訊號的活化能(activation energy)和捕捉截面積(capture cross section)，結果顯示在樣品表面附近存在許多自

在文檔中深層能階缺陷對光激發載子於GaAsN/GaAs量子井結構中的影響 (頁 25-0)