熱退火效應

為了要了解深層能階的特性是否與我們所推測的點缺陷相符合與了解樣品在經過熱 退火後是否有更好的特性，我們將樣品分別經過不同的熱退火溫度分別是600 ℃、700 ℃ 以及 800 ℃，針對這些溫度我們去做低溫的變化激發強度量測，希望能了解熱退火對 GaAs1-xNx/GaAs量子井結構與深層能階的影響。我們由不同厚度的量子井結構來討論，

首先是60 Å熱退火溫度 600 ℃時間 1 min，由圖[3.24a]可以看到熱退火過後的樣品PL低 溫量測結果，圖形大致上維持著原本的特性，因為長晶溫度大約有550 ℃，所以當熱退 火溫度只有高於長晶溫度50 ℃時，對原本的樣品特性並沒有太大的改變。將經過熱退 火的樣品與原本的樣品畫在一起做比較於圖[3.24b]便可以很明顯的看到，大致上訊號都 有存在而深層缺陷能階的訊號並沒有明顯的降低，但是除此之外可以比較明顯發現的不 同點是在量子井訊號與深層能階訊號之間多出了一個額外的訊號，這個訊號很類似前面 所談到的氮的成分波動效應所造成的訊號，而這邊的訊號與量子井的訊號大約相差 50 meV與前面在 250 Å所發現的 42 meV相去不遠，也許是因為熱退火效應讓氮分子有機會 在活動起來，但是溫度較低的情形下氮分子可以獲得的動能應該不大，使其容易與附近 的氮分子聚集在一起反而加強了氮的成分波動效應而形成氮的群聚(N cluster)，如此反 而在經過較低溫度熱退火的樣品中才出現這樣的訊號。而在量子井以及深層缺陷能階的 訊號上會看到些微的紅移現象，這也許是因為在晶格空隙中的Ni(interstitial N)進入到晶 格位置上形成對晶格有造成貢獻的substitute，如此一來會使氮的濃度些微增加便會降低 CB edge造成量子井訊號的紅移，而且再深層能階訊號也可以看到些微的紅移現象。由 於這個厚度下所剩的樣品數目太少，所以我們再針對更厚的量子井去做不同溫度的熱退 火探討，圖[3.25a]與圖[3.25b]整理了 175 Å三個不同的熱退火溫度，其分別是 600 ℃、

700 ℃及 800 ℃三個溫度且都以三分鐘的時間進行熱退火，在圖[3.25a]是在相同的激發 強度之下可以清楚的看到隨著熱退火的溫度增加，訊號的強度也越強且在高溫的熱退火 之下深層缺陷能階的訊號已經明顯的減弱許多，到了700 ℃或 800 ℃接近看不到深層缺 陷能階的訊號，這也符合前面所猜測訊號來源為點缺陷所產生的能階，極有可能是前面 所提到的VGa，一般點缺陷都可以藉由高溫將其濃度減少或是將其去除掉，但是由前面 的PL量測可以看到的樣品深層缺陷能階的訊號很強，所以缺陷濃度勢必很高才能產生這

麼強的訊號，在經過高溫的熱退火已經大量的降低了缺陷訊號，但是在這麼高的缺陷濃 度下也許所用的熱退火溫度還不足以完全將缺陷去除掉。另外經過熱退火之後，除了深 層缺陷能階的訊號被降低之外，在量子井訊號以及其他能量上都有些改變，這邊可以做 更仔細的探討，在圖[3.25b]中選擇適合的強度去標出個各訊號的能量會發現在經過熱退 火的樣品其訊號會有紅移的現象，且在熱退火溫度為600 ℃時，可以清楚的看到兩個訊 號的出現，這和前面的60 Å在 600 ℃時也有相同的現象出現，如前面所說這個訊號也可 能是來自於氮的成分波動效應所產生的，針對這個厚度下再作更仔細的量測，對熱退火 溫度600 ℃的樣品在低溫 30 K量測不同激發強度下的PL圖形，可以很明顯的看到在低 激發強度時訊號主要的訊號來源是由低於原本的量子井訊號產生的新訊號 1.198 eV主 導，反之在高激發強度下便會出現由未經過熱退火作用(as grown)的樣品中出現的 1.24 eV量子井訊號，所以在高激發強度下入射的光子數目較多，在低能態因氮成分波動效應 所產生的能階被填滿之後，再向上填入到較高能階的量子井能態。除了低溫的量測之 外，我們分別針對這兩個訊號以不同的激發強度去探討其對溫度的變化，圖[3.27a]與圖 [3.27b]就分別是以 13 mW及 326 mW來量測其對溫度的變化，當激發強度為 13 mW時，

氮成分波動效應所產生的新訊號比量子井訊號來的強，但隨著溫度的增加其訊號下降的 很快，到了120 K之後已經看不見訊號了，反之在高激發強度以 326 mW量測之下由原 本的量子井訊號較為明顯，而隨著溫度的變化一直到高溫也可以看到清楚的訊號，這可 以更確定我們在高激發強度下所看到的是量子井訊號。不但600 ℃可以發現到高激發強 度會出現原本的量子井訊號，在700 ℃與 800 ℃同樣可以分別在 650 mW與 326 mW下 會出現較原本低激發強度下量測到的訊號更高且更接近原本量子井訊號的高能量訊 號，也就是在這個厚度之下我們發現到當對樣品作熱退火處理時，氮的成分波動效應所 產生的訊號會在低激發強度下漸漸的主導，需要加高激發的強度才會出現原本的量子井 訊號，在圖[3.28a]與圖[3.28b]可以非常清楚的看到，對熱退火溫度 800 ℃其低基發強度 下是顯現ㄧ個較低能量的訊號，但增加雷射激發強度到650 mW之後便會出現兩個訊號 並存，原本量子井的高能量態便顯現了出來，在更高的1300 mW下便會只有量子井的訊 號出現，我們將其可能的能帶結構圖畫在圖[3.29]中，成分波動效應所造成的能階較低，

但在高溫或高激發強度時，載子的能量或數目較多所以必須填到較高能階的量子井基 態。進一步我們在量測更厚的樣品，針對250 Å不同的氮濃度去做熱退火的量測，圖[3.30]

是濃度為1.8%下 250 Å不同熱退火溫度低溫下PL的圖形，很明顯的也可以看到量子井的 訊號增強，且深層能階的訊號漸漸隨著熱退火的溫度增加而消失，其中與前面比較不一 樣的是，在這個厚度下的熱退火並沒有讓氮的成分波動效應更加明顯，除了在600 ℃訊 號紅移的較為嚴重，猜測是受到氮的成分波動效應所影響，且在這兩個熱退火的溫度之 下先前在1.172 eV所看到由氮的成分波動效應所造成的訊號已經不大明顯了，所以有可 能是兩個訊號混和在一起對量子井本身的訊號造成偏移，但是在更高的熱退火溫度下訊 號再藍移了回來由量子井訊號成為主導，為了釐清各個訊號針對600 ℃及 700 ℃作變溫 的量測，針對600 ℃我們以較高的激發強度去做變溫的PL量測，圖[3.31a]中可以看到在 30 K時發光的能量較低，當升溫到 50 K反而產生了一點點的藍移，這便是前面所猜測的 當經過熱退火之後，氮的成分波動效應影響了主要的量子訊號，且針對600 ℃的熱退火 溫度量子井訊號比較弱其所受到的影響可能會變的比較大，在變溫的量測當中可以很明 顯看到訊號一直到高溫都還算穩定下降，與先前量測到由氮成分波動效應所主導的訊號 在過了大約120 K之後便看不見有所不同，這很明顯的證實我們所量測的訊號是來自於 量子井的訊號，而且在50 K藍移所量得的訊號大約是 1.216 eV與原先沒有熱退火作用的 訊號已經相當接近，所以這邊可以看成當高溫時氮的成分波動效應影響漸漸減弱，無法 像先前在低溫那樣去影響量子井訊號，故高溫所量測到的都是以量子井訊號為主。到了 700 ℃情況就比較簡單一點，如圖[3.31b]所示，因為低溫下就是以量子井訊號為主導且 訊號強度很好，所以只需要以較低的激發功率作量測，而變溫的結果也比較正常並沒有 太特別的變化。再來便是針對相同厚度之下氮濃度較低的 0.6%，經過先前的討論可以 知道當熱退火溫度在600 ℃時會產生比較特殊的變化，所以針對這個濃度我們由 600 ℃ 這個溫度作仔細的量測，圖[3.32a]與圖[3.32b]分別是低溫在低激發強度與高激發強度下 的PL圖形，針對激發強度前面也作了不少分析，這邊的圖形與前面所作的分析大致上都 相同，但是針對這個能量低於量子井一點點的訊號較氮濃度為 1.8%來的明顯，且在低 激發強度下甚至會高過量子井訊號與尚未經過熱退火的樣品相比較有紅移的現象出

現，而在前面也分析過在這個濃度之下量子井的訊號與氮成分波動效應所造成的訊號是 分的最開的，大約有 60 meV這也許是在這個濃度下可以最清楚看見兩個訊號分開的最 明顯的原因，另外值得一提的是在圖[3.32b]成分波動效應所產生的訊號在高激發強度下 是產生了比較接近原本的1.33 eV經過熱退火其所量測到的能量為 1.326 eV當降低激發 強度之後便又在以另外一個較低能量的訊號為主，在前面根據各濃度的分析我們曾經談 到，在濃度為1.8%的時候可以量測到一個 1.319 eV的訊號出現，但是在 1.2%與 0.6%便 比較難去看到這個訊號，其中針對1.2%是因為訊號太接近其量子井訊號，另外 0.6%便 是因為氮的成分波動效應與CB offset較小所以無法量測到，但是經過熱退火作用之後，

卻發現有可能因為熱退火的效應使由GaAs CB到深層能階的訊號再被顯現出來了如圖 [3.33a]與圖[3.33b]所示，其能量 1.312 eV也與 1.319 eV十分接近，但是因為在這個量測 下，1.312 eV的訊號十分微弱，所以其能量值比較沒有辦法精確量測到且其受到另外一 個成份波動效應的訊號影響，故還是以濃度 1.8%所量測到的值最為一個標準值。另外 在經過熱退火之後，成分波動效應所造成的影響除了在熱退火溫度為600 ℃上可以比較

卻發現有可能因為熱退火的效應使由GaAs CB到深層能階的訊號再被顯現出來了如圖 [3.33a]與圖[3.33b]所示，其能量 1.312 eV也與 1.319 eV十分接近，但是因為在這個量測 下，1.312 eV的訊號十分微弱，所以其能量值比較沒有辦法精確量測到且其受到另外一 個成份波動效應的訊號影響，故還是以濃度 1.8%所量測到的值最為一個標準值。另外 在經過熱退火之後，成分波動效應所造成的影響除了在熱退火溫度為600 ℃上可以比較