本章是主要討論的重點，首先針對熱退火在光性與缺陷特性的影響作一初步的 分析，缺陷的延伸探討並非本論文的重點，在此只是用來附加說明缺陷的演變及對 量子躍遷的影響。接著分別做了一系列電性的量測與分析，進一步提出量子躍遷的 證明，及其由高溫到低溫，躍遷機制的變化。
4-1 熱退火對光及缺陷的效應
4-1-1 PL 光性分析
以下我們將 3.3 ML 分別加以熱退火 650℃及 700℃，共三片樣品去做光性及電 性的比較。圖4-1 為三片樣品之室溫 PL 比較，光激發功率皆為 3.3 mW，就強度與 發光波長來說，三片樣品皆隨著熱退火溫度而有強度減弱與波長藍移的現象，這是 由於熱退火造成 QD 界面處 In 與 Ga 原子的擴散(interdiffusion)，除了使能帶變的圓 滑外，也使QD 能階提升，因而侷限能力變差，PL 強度減弱，發光波長也藍移，這 很符合QD 的 PL 特性。另外由圖中也可得知熱退火 650℃及 700℃，QD 基態波長藍 移量與as grown 比較分別約有 14.5 meV 與 39.2 meV。
圖 4-2(a)~(c)是三片樣品室溫大激發功率下的 PL 圖，經由 Gaussian 分布的擬合 可分別得到各個能階相對應的波長，能階間的能量差距也顯示在圖中。圖 4-2(a) As grown 樣品分成最長波長那群與波長較小的另外一群，約有 71 meV 的差距，而三片 樣品最多皆可擬合到第二激發態，能量差距也大約介在三十幾到五十幾meV 等正常 quantum level 的差距，當然也隨著熱退火有能階提升以及間距縮小的現象。另外三 片樣品都有一個最小波長微弱訊號，與前一波長有一百meV 左右的差距，依據其發 光波長與能帶的對應，推測是cap layer 上的能階所發出的波段。
接下來說明 As grown 樣品長波長那一群經由熱退火後的效應：圖 4-3 為熱退火 650℃及 700℃室溫下 PL 圖，箭頭指出在長波段處有延伸的發光訊號，比 As grown
所見長波長那群寬的多，我們將三片樣品做背面訊號PL 量測如圖 4-4，發現背景訊 號在相同功率下也有一定的訊號強度，可對應到圖4-3 長波長那段，因此此延伸的訊 號應為背景訊號，這也可在圖4-2(b)與(c)觀察到，而由於 As grown 本身 QD 訊號較 強，背景訊號相形之下變的渺小。因此可歸納出As grown 長波長那包 QDs 經由熱退 火後，提高整體QD 均勻度而被破壞掉，更加確定應力鬆弛後分成兩群 QDs。
接著圖 4-5(a)~(c)為三片樣品 0.13 mW 之變溫 PL 量測，在波長上皆有隨溫度升 高而紅移以及強度減弱的現象，原因已曾探討過是由於band gap 會隨溫度升高而變 小，所以溫度上升波長會紅移，且高溫載子較活躍，易逃脫QD 的侷限，減低 PL 強 度。經由圖 4-5(a)~(c)不同溫度下半高寬的擬合，將結果呈現在圖 4-6，趨勢顯示熱 退火會使QD 均勻性增加，造成 PL 半高寬變小[38]，高溫則由於載子受熱跨到缺陷 能階，經歷非輻射複合(nonradiative recombination)，造成強度減弱與半高寬增加[39]。
4-1-2 缺陷的演變
在此藉由 DLTS 與 C(t) measurement 來分析缺陷的特性及經由熱退火的演變。之 前已分析過關於3.3 ML As grown 樣品缺陷的特性[40]，是屬於會飽和的的 point defect 而非threading dislocation，在此就不再詳加說明。以下主要討論熱退火對缺陷的影響：
圖 4-7(a)~(c)分別是 3.3 ML As grown 與熱退火 650℃及 700℃，固定 rate window 與filling pulse，由表面的區域掃到較裡面超過 QD 區域的 DLTS 量測，不同偏壓範 圍代表不同深淺的探測。圖4-7(a)(b)所示，rate window 為 0.86 ms，filling pulse 為 80 ms，As grown 與熱退火 650℃ 樣品上方 GaAs 均無缺陷訊號，直到-2 V~-2.5 V 與-1.5 V~-2 V 開始，才在溫度約 300 K 與 280 K 左右出現 peak，且訊號強度慢慢隨著量測 範圍的深入而變大，到-3 V~-3.5 V 有最強的缺陷訊號約為 0.3 pF，表示缺陷幾乎分 佈在此偏壓區域；而圖 4-7(c)熱退火 700℃的樣品則與前兩片樣品差距頗大，且 rate window 高達 215 ms，猜測由於熱退火溫度太高造成表面處形成一訊號很強的缺陷，
濃度高達0.8 pF，慢慢隨著偏壓的深入而減低強度，由於樣品本身特性不好，所以無
法再加大偏壓量測，但由之後其他電性的分析，我們斷定原先存在於As grown 與熱 退火650℃樣品的 GaAs 下層 misfit 缺陷仍然存在，影響載子躍遷。
接著我們針對 As grown 與熱退火 650℃樣品在偏壓-3 V~-3.5 V 的範圍，以及 700
℃樣品表面往下到-2.5 V，每 0.5 V 間距，固定 filling pulse，變換不同 rate window 以 求取相對應的peak 溫度值，並將每組數據以 Arrhenius plot 求取每個偏壓範圍對應的 活化能及捕捉截面積，所得之數據整理在表4-1，由表中 As grown 與熱退火 650℃在 -3 V~-3.5 V 之缺陷特性差不多，活化能也大約接近 400 meV 左右，但熱退火 700℃
表面附近所量到的缺陷，一直延續到-2.5 V 以上，活化能都有 600 meV 以上，捕捉 截面積也大得多，推測應該是個很深層、捕陷能力很強的缺陷。
接著對三片樣品做 C(t)的量測，如圖 4-8(a)(b)(c)，先填充載子再空乏之，量測載 子放射的過程。As grown 樣品及熱退火 650℃為-3 V~-3.5 V，由溫度 85.5 K~300 K 及78K~100K 量測，熱退火 700℃樣品為-1.5 V~-2 V，在溫度 220 K~260 K 下量測。
在此說明As grown 與熱退火 650℃樣品在 C(t) measurement 上看不到載子放射的過 程，電容值隨著時間並無變化，可能的原因是缺陷在低溫不單純只有熱激發跳躍的 情 況 ， 熱 能 不 足 可 能 導 致 穿 遂 等 效 應 ， 也 許 缺 陷 穿 遂 得 太 快(ms 等級) ，C(t) measurement 級數(s 等級)讀不到訊號。而圖 4-8(c)熱退火 700℃之 C(t)量測到的缺陷 在Arrhenius plot 上與 DLTS 量測數據可相連接，因此為同一來源，猜測也因為穿遂 效應使得分析出的活化能較DLTS 量測值小；而在 C(t)的圖形上也看出熱退火 700℃
的暫態電容值會隨時間趨向一定值，表示此缺陷捕捉載子有飽和的程度。
我們把三片樣品與之前研究的整理[41]互相比較如圖 4-9，發現 As grown 與熱退 火650℃樣品在-3 V~-3.5 V 處的缺陷類型較接近之前定義的 E2 misfit 缺陷，而熱退 火700℃樣品表面處的缺陷雖然接近 E1 threading 缺陷，缺陷也有由表面往裡層延伸 的現象，但Arrhenius plot 仍有一小段差距，且圖 4-10 對熱退火 700℃不同填充偏壓 的DLTS 分析中顯示此缺陷會達飽和，因此判斷非 E1 threading 缺陷，有可能是過於 熱退火導致表面處生成 As 的點缺陷(point defect)。針對以上缺陷還必須作進一步探 討。
4-2 電容電壓量測與能帶頻譜探討
在本節中首先比較熱退火後的三片樣品電容電壓的量測，來探究缺陷的影響及 量子躍遷的變化。接著利用 C-F 量測，討論 QD 能帶寬度，並配合光性及電容電壓 上量測的結果，加以證明導納頻譜量測到的量子躍遷訊號。
4-2-1 熱退火之電容電壓比較
圖 4-11 為 3.3 ML As grown 與熱退火 650℃及 700℃三片樣品低溫 110K 下不同 頻率的C-V 圖，而經由其轉化的縱深分佈圖則如圖 4-12 所示。不討論剛開始偏壓下 隨頻率變大串聯電阻影響造成的電容值下降的話，可發現三片樣品在-2 V~-3V 左右 及未端的大偏壓下都有平台的現象，表示此處有載子堆積的情形，從縱深圖可以很 清楚看到。先討論前面那個有頻率響應的平台：頻率響應的情形代表三片樣品所侷 限載子躍遷的頻率在高頻時會趕不上，已經失去原本正常 QD 所有頻率皆可趕上的 躍遷特性，而且隨著熱退火溫度升高，平台起始偏壓也較早，較早掃到QD，且侷限 載子的偏壓起始大致上由As grown 的-2 V、熱退火 650℃的-1.8 V 到熱退火 700℃的 -1.75 V，所有載子都被掃出之偏壓則取在平台整個結束之處[42,43]，分別為 As grown 的-3.4 V、熱退火 650℃的-3.2 V 到熱退火 700℃的-2.6 V，此時才恢復正常 Schottky band，由此可合理以量子侷限解釋：熱退火使量子能階提升，侷限載子能力變弱，
致使偏壓較早掃到QD 處，且平台較短，載子累積在 QD 較少。另一方面，以 As grown 樣品來舉例，當載子在-3.4 V 全被掃出後，很快就馬上空乏到缺陷能階，所以 DLTS 在-3~-3.5V 掃出最大的缺陷訊號。
而圖 4-12 的縱深分佈圖則顯示在 QD 位置約 0.2 µm 左右(電性量測容易受到樣 品電阻或漏電流影響，QD 位置些許偏移)有隨頻率消長的 peak，表示載子在高頻有 跟不上量測頻率的現象，躍遷的速率並不像量子躍遷快，而趕不上頻率的載子在之 後的空乏區中被DC bias 掃出，之後我們所做的量測都支持此 peak 為量子躍遷的說 法，而這些樣品存在的缺陷正是影響量子躍遷的一大主因。Peak 位置往後移是串聯
電阻效應，而且缺陷捉住自由載子除了造成後面產生一大範圍的空乏區外，在 0.35 µm 左右也出現缺陷訊號，載子濃度急遽上升。
4-2-2 導納頻譜分析及能帶頻寬
本節之後開始進入研究重點，我們在 C-V 量測所看到的電容平台及頻率響應的 現象，因此進一步在此偏壓範圍進行C-F 導納頻譜量測，並畫成 G/F vs. F，如圖 4-13，
每個偏壓都將會得到多組頻率的 C-F 反曲點及 G-F 峰值，配合量測的溫度，來探討 此區域的載子躍遷情形，圖4-14 即三片樣品 C-F 量測所繪之 Arrhenius plot，三片樣 品都可以大致區分為高溫與低溫兩部份，差別只在斜率與截距的不同，高溫部份與 一般量測所見之Arrhenius plot 分析相同，可針對不同偏壓以公式求出活化能及捕捉 截面積，結果列於表4-2 中，三片樣品皆有活化能隨著偏壓的深入而升高的趨勢，就 載子被侷限的整體區域範圍來看：活化能有隨著熱退火溫度升高而變小的趨勢，與 熱退火對量子點的影響相符，量子能階的抬升初步顯示 C-F 所量測到的量子訊號。
捕捉截面積相較於 DLTS 量測到的缺陷訊號稍小，也隨偏壓加大造成的電場變化而 改變，在下節將進一步分析；而低溫部份則斜率轉為負值，已無跳躍而上的活化能，
之後針對高低溫也會更加詳細的探討。
由於量子點的均勻性及應力鬆弛後 QD 變的較粗糙等因素，每一 QD 中的能階 位置皆不同，因此能階會變寬(broaden)似能帶，能階太靠近的甚至可能會 overlap，
造成隨著偏壓的深入，C-F 的量測掃到的是準連續變化的能帶，基態與激發態很難解 析出來。以下接著討論能帶頻譜寬度各個量測上的對應：
首先把前面量測過的室溫 C-V 轉縱深分佈圖中 QD 的 peak 下的面積，以較符合
首先把前面量測過的室溫 C-V 轉縱深分佈圖中 QD 的 peak 下的面積，以較符合