深層能階

3.1.1 量子井厚度光激發螢光量測 (thickness dependence of the PL spectra)

首先利用photoluminescence(PL)量測系統針對不同厚度而氮濃度皆是 1.8%的樣品作基 本量測再加以討論，分別對低溫改變激發強度(power dependence)與固定激發強度改變溫 度(temperature dependence)兩種基本量測，對樣品的特性作探討。首先針對一系列不同 厚度的量子井作量測，圖[3.1a]、圖[3.1b]以及圖[3.2]分別為 40 Å低溫 30K下低激發強度 (low excitation)、高激發強度(high excitation)以及固定激發強度下變化溫度PL圖形，除了 這個厚度以外本研究同時也量測了60 Å(圖[3.3a]、圖[3.3b]及圖[3.4])、120 Å(圖[3.5a]、

圖[3.5b]及圖[3.6])、175 Å(圖[3.7a]、圖[3.7b]及圖[3.8])、250 Å(圖[3.9])，295 Å(圖[3.10]) 以及590 Å(圖[3.11])圖中我們標示出對應的發光能量，激發強度以及變化溫度。在這些 PL頻譜中可以看到一些相當一致的特性，除了高能量的量子井訊號(quantum emission) 之外，在低能量出現了另外一個分佈很廣的缺陷訊號這訊號在先前的文獻中也可以發現 到[7][8][9]，這個訊號相較於量子井是非常的胖而且一直到 0.9 eV~0.8 eV都有其訊號的 分佈，相較之下很明顯高能量的訊號是來自於GaAs0.982N0.018量子井的訊號，因為樣品的 結構是單一層量子井結構，所以一般最主要發光特性是來自於量子井訊號，但現在除了 量子井訊號之外，額外產生的低能量訊號便有可能是源自於某種缺陷所造成的載子復合 中心(recombination center)，如圖[3.12]所示標示了各種可能的躍遷，除了原本的band to band transition之外，如果在接近Valence Band(VB)產生一個acceptor deep-level時便會產 生band to acceptor transition，反之同理如果在靠近Conduction Band(CB)附近產生一個 donor shallow-level便也會產生donor to band transition出現，所以這邊我們可以暫且將低 能量的訊號看成一個缺陷訊號，但目前尚無法確定其是何種transition及何種缺陷所造 成。除了上面所描述的特性之外，還可以觀察到另外一些針對量子井以及缺陷訊號的特

性。首先對激發強度作分析可以很明顯的發現，當低激發強度時缺陷訊號與量子井訊號 強度相當接近甚至超過量子井訊號，但隨著激發強度增強量子井訊號也隨之增強，但缺 陷訊號增強幅度遠小於量子井訊號。當我們增加輸入的光子數讓更多電子電洞對產生之 後便有較多的載子躍遷到量子井的基態(ground state)，而缺陷訊號雖然也增加強度但過 了特定強度之後卻相對弱的許多，也就是在高激發強度下量子井的光譜主導了整個PL 頻譜，反之在低激發強度下缺陷便主導整個頻譜。這可以解讀為當電子電洞對數目增加 時缺陷訊號逐漸呈現飽和，也就是缺陷並沒有無限制的補抓載子，當載子增加到一定的 數目之後缺陷被填滿，絕大部分的載子便躍遷到量子井的能態，所以到了高激發強度才 會由量子井訊號所主導。為了確認缺陷訊號的來源，我們再加以確認樣品的背面訊號，

由圖[3.13a]及圖[3.13b]分別是 60 Å背面的變溫圖形以及 250 Å低溫改變激發強度的量 測，其發光訊號大約都在1.255 eV左右與正面的缺陷訊號有一段差距，而且量子井與基 板之間還間隔了約0.4μm，所以正面缺陷訊號不大可能是來自於背面的訊號，這個缺陷 訊號在先前許多研究都有在低溫成長下liquid encapsulated Czochralski (LEC)的GaAs基 板中發現到[10]，Chiang et al[11]. and Ohbu et al[12]也都有量測到這個訊號且將其來源是 GaAs本身VGa的點缺陷(point defect)，而點缺陷也與前面PL針對激發強度的相關量測相 符合特性相符合，在高激發強度之下深層能階的訊號會達到飽和，而點缺陷通常在強度 上會有飽和的情形出現。除了上面有提到的樣品之外，也成長了兩個二十個週期的量子 井結構，由圖[3.14]中可以看到其低溫PL量測結果，同樣的除了量子井的訊號之外，也 可以很清楚的看到前面所討論的深層缺陷訊號，代表在這一系列的樣品之中都可以看到 相同的現象，且跟結構無關。

過了295 Å 之後，量子井在這個厚度已經開始接近沒有量子效應的出現了，這可以由 基本的量子力學去做估計，也就是說這個厚度開始已經漸漸的不具有量子井的結構，而 從295 Å 以及 590 Å 的 PL 圖形中也確實可以看到，對 295 Å 而言一直要激發強度高到 326 mW 才能有類似像量子井的訊號出現，而對 590 Å 已經看不到量子井的訊號了，所 以隨著厚度上的變化可以很清楚的看到當量子井的愈厚其品質愈差發光的強度也愈

弱，當其厚度不斷的增加，侷限電子與電洞的波函數的範圍變愈大，入射雷射光時便是 將電磁場加諸在樣品之上，如此一來電子電洞其波函數會各自朝不同方向去產生偏移，

此時如果侷限波函數的範圍很大則會降低兩個波函數之間的重合的部分，由量子力學可 知電子電洞對產生復合的機率與波函數重合的多寡有關，故當量子井厚度增加時電子電 洞對復合的機率將會降低，這與我們所量測到的結果完全一致。要加以說明的是，因為 儀器量測的限制其可接收的訊號強度最高只能到 0.055，所以有部分的圖形是因為量測 限制才被截掉，而高激發強度則是將樣品螢光訊號作衰減之後所作的量測，其衰減比例 都標示在圖中。另外高激發強度下會發現樣品有些微的紅移，這部分可能是因為輸入的 雷射訊號較高造成樣品本身些微的加溫，如此所產生的紅移現象。在變溫的量測上在各 個厚度的特性是十分一致，一般很基本的高溫紅移以及強度減弱的現象都可以很清楚的 在各圖形中發現到，這是因為材料能隙隨溫度增加而變小故發光波長產生紅移，而高溫 載子獲得更多熱動能讓其更容易跳出量子井之外，如此一來變造成了其發光強度下降。

除此之外針對缺陷的訊號，可以發現到其隨溫度的變化相較於量子井是相當敏感，也就 是隨著溫度增加缺陷補抓載子的能力下降，其中也可能是缺陷接近於VB 或者是 CB 隨 著溫度增加其釋放出其補抓的載子，所以高溫時只剩下量子井訊號而缺陷訊號幾乎是看 不見的。

由前面的討論可以知道，在氮濃度為 1.8%時我們改變不同的量子井厚度都可以發現 到除了量子井之外的另一個缺陷訊號，所以在圖[3.15]將各個厚度PL圖形畫在一起做比 較可以發現到，隨著厚度的增加除了先前所提到的量子井訊號減弱以外，還可以明顯看 到紅移的趨勢。由基本的量子力學理論可知量子井隨著厚度增加其量化的能態高度是隨 之下降即E∝1 L² ，其中 為量化所提升的能態而 便是量子井寬度，所以隨著厚度增 加便會產生紅移的趨勢，在圖[3.16a]中將各厚度量子井的發光能量對厚度作成圖可以更 明顯的看到這個趨勢，當厚度加到250 Å量化的程度便已經降到很低的能量，所以在 250 Å之後的厚度基本上都可以視作由GaAs

E L

0.982N0.018的CB edge到VB edge的能量，在文獻當

中[13][14][15][16][17]可以知道當加入一點點氮(dilute nitride)時會大幅的降低CB edge但

卻對VB的影響很小，所以加入氮的效應幾乎可以看成主要是降低CB edge，如此一來，

隨著量子井厚度增加而產生的訊號紅移可以看成主要原因是由於CB基態的能量降低。

除此之外在圖[3.15]中會發現到另一個很特別的現象，除了量子井訊號的紅移可以很清 楚的看到之外缺陷訊號也同時產生紅移的現象，而缺陷訊號的紅移量與量子井訊號幾乎 相等，在圖[3.16b]整理出量子井與缺陷訊號的發光能量便可以更清楚了解到其變化趨 勢，所以這兩者的訊號之間大約都維持著接近0.2 eV左右，在VB之上 0.2 eV便很接近 GaAs點缺陷VGa所造成的能階。而深層能階缺陷訊號的載子復合行為應該是與量子井的 CB基態有關，因為背面訊號與量子井的基態相距了 0.4 μm以上故不大可能產生與基板 的缺陷復合，而是在量子井附近或其中的深層能階缺陷所造成，如果這個訊號跟基板所 產生的訊號是同一個來源其也就是必須由基板一路延伸到量子井附近才有機會產生如 此的復合訊號，而能量上的差距便可以視為在很高應力作用下使能態產生偏移，而加入 氮會使CB降低大約 300 ~400 meV這是否會對缺陷能階造成一定的影響也尚未有定論。

所以暫且將缺陷訊號看成電子由GaAs0.982N0.018的CB與附近或是其中深層缺陷訊號的電 洞產生復合而出現的訊號，如此一來深層能階是比較容易抓電洞的缺陷所形成的一個復 合中心，其訊號所對應的能量值便是由CB的基態到深層能階間之間的能量差值，如果 以上面的能量去計算深層缺陷比較有機會是對應到VGa點缺陷大約是在VB上 0.2 eV，而 在文獻大約是0.25 eV及比較接近背面的訊號，這些微的差值應該便是在GaAs0.982N0.018量 子井中高應力下或是GaAs0.982N0.018的CB影響造成能量偏移。

我們針對 250Å 圖[3.9]再作更仔細的探討，可以發現到除了在其他厚度都有顯現的訊 號之外額外又出現了兩個訊號，其中一個比較明顯的是1.319 eV，另一個介於量子井的 訊號以及缺陷訊號之間較不明顯的1.172 eV。對 1.319 eV 其訊號強度很弱且也類似於缺 陷的訊號是比較胖，不同於量子井本身的訊號，這個訊號在各厚度都沒能看到，而比較 有可能是來自於GaAs 的 CB 到深層能階之間的躍遷，在較厚度較小的量子井當中其量 子井訊號正好會在這個額外訊號的附近，而250 Å 是所有厚度當中發光強度最弱即復合 能力最差但仍然可以清楚的看見量子井訊號的厚度，這也許是只有250 Å 可以看見到這

個訊號的原因。而另外一個訊號是低於量子井訊號大約42 meV 這個訊號我們暫且猜測

個訊號的原因。而另外一個訊號是低於量子井訊號大約42 meV 這個訊號我們暫且猜測