深層能階暫態頻譜(deep level transient spectroscopy,DLTS)分析

( ) 2

(

2

0

dV

A dC q W

N 



4.1 深層能階暫態頻譜(deep level transient spectroscopy,DLTS)分析

本實驗室黃文鏑學長曾做過 2.0 ML，2.2 ML 和 2.8 ML 的電性分析，發現 2.0 ML 和 2.2 ML 在長晶的過程沒有缺陷產生，是良好的量子點樣品。但是 2.8 ML 卻在 表面產生了 threading dislocation，在量子點附近則有 misfit dislocation。這證明了 InAs+Sb QDs 長到了 2.8 ML 的時候量子點就已經產生晶格鬆弛現象。

(2.2 ML，2.8 ML 熱退火缺陷)

退火 2.2 ML，退火溫度分別為 650^oC、700^oC 和 750^oC 一分鐘。圖 4.1-1 圖 4.1-2 發現在退火溫度為 650^oC 及 750^oC 時，DLTS 都可以偵測到一個深能階的缺陷。

(Ea≅ 0.65eV, σ ≅ 10^-14~10^-15cm²)

同樣退火本身晶格鬆弛的 2.8 ML，退火溫度也是 650^oC、700^oC 和 750^oC 一分鐘。

圖 4.1-3 圖 4.1-4 同樣也發現溫度為 650^oC 及 750^oC 時存在一個缺陷。

圖 4.1-5 說明 2.2 ML RTA650 不同偏壓下的阿瑞尼斯圖，從偏壓從-0V~-3V，所量 測到的應當是同一種缺陷，這可以由阿瑞尼斯圖看出它們都是處在同一塊區域。

不僅如此，圖 4.1-6 2.2 ML RTA750 偏壓從-0V~-1V，DLTS 所量測到的也是相同 的缺陷。同理圖 4.1-7 2.8 ML RTA650 偏壓從-0V~-3V，還有 2.8 ML RTA750 偏壓 從-0V~-1.5V 也是屬於同一類型的缺陷圖 4.1-8。

圖 4.1-9 2.2 ML RTA650、2.2 ML RTA750、2.8 ML RTA650 和 2.8 ML RTA750，DLTS 所偵測到的缺陷似乎是同一群的缺陷。暫且稱它為 InAs+Sb QDs 經由熱退火所產 生的缺陷。

原本沒有晶格鬆弛的 2.2 ML 經過熱退火之後產生的缺陷和已經晶格鬆弛的 2.8 ML 經過熱退火之後產生的缺陷竟是屬於同一種缺陷！那麼這個經由熱退火所產

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生的缺陷跟原本 as grown 2.8 ML 晶格鬆弛所引起的 threading dislocation 和 misfit dislocation 之間是否有所關聯？圖 4.1-10 把 as grown 2.8 ML 經由晶格鬆弛所產 生的 threading dislocation 和 misfit dislocation 的活化能阿瑞尼斯圖跟 DLTS 所量測 到的經由熱退火而產生的缺陷的活化能阿瑞尼斯圖畫在一起，發現 2.2 ML 和 2.8 ML 經由熱退火產生的缺陷在阿瑞尼斯圖是夾在 threading dislocation (E1)和 misfit dislocation(E2)兩個區塊當中。所以無法藉由這個缺陷在阿瑞尼斯圖上的位置去判 別這個缺陷的是 threading-like dislocation 還是 misfit-like dislocation。

(熱退火缺陷性質分析-點缺陷特性)

為了對此熱退火產生的缺陷做更深入的了解，改變 DLTS 的填充偏壓時間，看這 個缺陷是屬於填充飽和缺陷還是非填充飽和缺陷，以便了解這個缺陷是比較類似 misfit dislocation(填充飽和)還是 threading dislocation(非填充飽和)。

圖 4.1-11 為 2.2 ML RTA750 改變不同填充偏壓時間的 DLTS。

結果經由熱退火產生的缺陷，圖 4.1-12 改變填充偏壓，從 1 ms 到 80 ms，在 30 ms 之後，DLTS 的缺陷訊號就顯現有飽和狀態。顯然的，這個缺陷具有和 misfit dislocation 相同的點缺陷特性。將不同的填充偏壓時間所量到的缺陷的阿瑞尼斯 圖畫在一起，當填充偏壓的時間愈小(1 ms)缺陷捕捉截面積跟缺陷活化能是愈大 的，而且當填充偏壓時間愈大(80 ms)，缺陷的位置是愈往 misfit dislocation 的區 間移去，求得的活化能和捕捉截面積也跟著變小圖 4.1-13 圖 4.1-14。表示這個 缺陷的活化能跟捕捉截面積跟填充偏壓時間之間是有關係。根據實驗結果顯示，

表 4.1-1，當填充偏壓時間愈小，電子要跨過的缺陷的位能障是愈高的，對應的 捕捉截面積也跟著變大；反之當填充偏壓時間變大電子要跨越的缺陷位能障是變 小的，對應的捕捉截面積也跟著變小。

由改變 DLTS 填充偏壓時間的實驗結果可以肯定這個由熱退火而產生的缺陷具有 點缺陷形式(具有填充飽和現象)，推測這個缺陷是 misfit-like defect。但是為什麼 它的活化能會隨填充偏壓時間而改變？它的活化能可以從填充偏壓時間為 1 ms

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的 0.95 eV 到 80 ms 的 0.29 eV！

我們假設熱退火的緣故讓缺陷具有大大小小不同的能階圖 4.1-15，當填充偏壓 時間小(1 ms)電子會被灌到缺陷裡頭比較深的能階，量測到的缺陷活化能就比較 大。當填充偏壓時間變大的時候，深能量的能階被填滿就會換到更淺的能階上去，

所以當填充偏壓時間加到 80 ms 的時候，我們量測到比較小的缺陷活化能。

從 DLTS 改變填充偏壓時間的圖看出，當填充偏壓時間變長的時候，DLTS 的頻譜 是又大又寬的，這說明這個缺陷擁有大大小小不同的能階範圍，這跟我們所假設 的論點符合。

至於捕捉截面積跟缺陷活化能的關係，當捕捉截面積愈小所對應的缺陷活化能也 是比較小的。更進一步分析，捕捉截面積跟缺陷活化能是呈指數函數關係。所以 推斷存在一個缺陷捕捉位能障，這個缺陷捕捉位能障的大小影響捕捉截面積的大 小。這個缺陷捕捉位能障的存在，是因為這個熱退火讓缺陷有大大小小不同的能 階。一個電子從缺陷的深能階要跳到 GaAs 的傳導帶上面去，中途缺陷大大小小 的不同能階可能會進行再捕捉行為，因此在缺陷底層的能階除了要克服從底層能 階跳到 GaAs 傳導帶的位能障，還須克服淺能量的缺陷能階所提供的捕捉位能障，

進而影響了捕捉截面積的大小。

表 4.1-2、圖 4.1-16 把所有 2.2 ML 和 2.8 ML 經由熱退火產生的缺陷的缺陷活化 能跟捕捉截面積，做

l n (  )

以上 DLTS 量測顯示，熱退火產生的缺陷具有一個捕捉位能障，以致嚴重影 響 DLTS 不同速率窗下的缺陷訊號峰值大小，甚至影響了該速率窗下所對應的溫 度。因為捕捉截面積是溫度的函數，而捕捉位能障影響捕捉截面積的大小，所以 改變了速率窗下所對應的溫度，也改變了缺陷訊號峰值的大小。為了改善捕捉截 面積影響訊號峰值大小以及速率窗所對應溫度的問題，必須將填充偏壓時間加大 直到缺陷飽和狀態，這樣可以避免因為捕捉位障影響的捕捉截面積影響峰值訊號 大小以及對應溫度。由此再改變不同速率窗去求活化能以及捕捉截面積的大小會

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比較符合實際的情況，也可以減少因為捕捉位能障而影響數據的清晰度，讓數據 分析明顯化。