第二章 樣品製備與量測系統簡介
2.1 樣品製備
分子束磊晶技術(molecular beam epitaxy, MBE)其原理類似一個超高真空 蒸鍍的系統，與蒸鍍系統不同的是，在磊晶過程基板會加熱到一定的高溫，
使分子沈積於基板表面後有足夠的熱能移動到適當的位置，形成高品質的單 晶薄膜。分子束是由己加熱的坩鍋中，從液化元素或固態元素蒸汽壓得來的，
利用蒸汽壓將分子束射向磊晶基板，故名為分子束磊晶。在磊晶過程可由改 變 坩 鍋 的 溫 度 以 控 制 分 子 束 的 通 量 ， 即 磊 晶 速 率 。 我 們 也 可 以 使 用 RHEED(Reflection High Energy Electron Diffraction)來監視薄膜成長的好壞，
確保薄膜成長的品質。分子束磊晶之所以會採用超高真空系統，主要是為了 減少其他雜質融入磊晶層中，影響材料的光、電特性。
本論文所研究的樣品皆為博士班蕭茹雄學長於工研院使用 MBE 磊晶製 作，描述如下
摻入氮(N)量子點的樣品是以分子束磊晶(Molecular beam epitaxy)來成 長，使用(100)方向 n-type GaAs substrate。先成長 0.3μm 矽摻雜 GaAs buffer layer (8×1016cm-3)，長晶溫度為 600°C，之後將基板溫度降至適當溫 度再依序成長 InAs 的量子點(QD)，同時以射頻電漿（RF Plasma）游離氮分 子的方式將 17%的氮原子加入 InAs(QD) layer，接著覆蓋 60Å InGaAs 量子井 (QW)在 QD 上面，活性層的長晶溫度約為 485oC～500oC，最後再覆蓋 0.3μm GaAs:Si (8×1016) cap layer，長晶溫度為 600°C，此為樣品的結構與長晶方 式。此外我們再將此樣品拿去作熱退火處理，分別為 700oC 兩分鐘，800 o三 分鐘和五分鐘，以及 900oC 三分鐘。圖 2.1 為摻入氮(N)量子點樣品的能帶與
結構圖，相關長晶參數整理列於表[2-1]。為方便我們的撰寫，我們以編號 As，A7，A83，A85 及 A9 分別代表樣品 TR507，TR507-7，TR507-83，TR507-85，
和 TR507-9。
表[2-1]
樣品 結構 編號 n-GaAs 層 摻雜濃度，溫度
熱退火溫度 及時間
氮含 量 TR507 InAsN/InGaAs As 8×1016cm-3，600°C 無 17%
TR507-7 InAsN/InGaAs A7 8×1016cm-3，600°C 700oC 2mins 17%
TR507-83 InAsN/InGaAs A83 8×1016cm-3，600°C 800oC 3mins 17%
TR507-85 InAsN/InGaAs A85 8×1016cm-3，600°C 800oC 5mins 17%
TR507-9 InAsN/InGaAs A9 8×1016cm-3，600°C 900oC 3mins 17%
2.2 電極的製作
樣品的電極製作分為兩個方面，分別為正面的蕭基接面(Schottky contact)製作與背面的歐姆接面(Ohmic contact)製作。
2.2.1 蕭基接面製作
經由MBE 成長樣品後，需在樣品表面蒸鍍金屬圖形(pattern)，使其形成 蕭基接面(Schottky contact)，再進一步量測元件的電性，元件的直徑我們使用 為800μm(面積為 0.005024cm2) 。蒸鍍的金屬與樣品黏著是否良好，關係金 屬與半導體接面的電性，影響著我們一連串的量測結果的準確性，所以蒸鍍
前清洗樣品的工作是非常重要的。以下簡敘流程。
(1)置入去離子水(D.I. water)用超聲波震盪器震盪 5 分鐘 →去除一般雜質
(2)置入丙酮(A.C.E)溶液中用超聲波震盪器震盪 5 分鐘 →去除油漬。
(3)置入去離子水中用超聲波震盪器震盪 5 分鐘 →去除丙酮。
(4)將晶片放入稀釋過的鹽酸溶液(HCl:H20=1:1)中 10 秒 →去除陽離子以及表面的氧化層。
(5)置入去離子水中用超聲波震盪器震盪 5 分鐘 →去除殘餘的鹽酸溶液，並用氮氣吹乾。
清洗完成後，迅速將晶片放於載具(holder)上，放上金屬遮罩(mask)固 定後(事前先將載具跟金屬遮罩用丙酮擦拭過並用氮氣吹乾)一起放入蒸鍍機 中固定放好，接下來將清潔過後的鎢舟(Tungsten boat)及靶材鋁放入蒸鍍機 中，用 pump 將真空度抽到 5×10-6 torr 以下時即可以開始蒸鍍，通電流約 50A 加熱使鋁汽化蒸鍍在晶片上，如此即完成正面的 Schottky contact 製作。
2.2.2 歐姆接面製作
完成正面 Schottky contact 的製作後，接著在樣品背面做 ohmic contact。我們在已蒸鍍完成的樣品背面黏上二顆銦(Indium)球，送入通入氮 氣的高溫爐管(320℃)中約兩分鐘，再對背面任兩點銦做 I-V 量測，再回爐管 直到確定電阻降至小於 10 歐姆，這是為了避免背面電阻過大影響量測。接著 將矽基板放在加熱平台上加熱至 2000C(超過 In 熔點)，均勻地塗上一層銦，
藉著銦將樣品背面黏於矽基板上，即完成背面 ohmic contact 的製作。
2.3 量測系統簡介
量測系統分為光性量測跟電性量測兩部分。
2.3.1 光性量測系統
本實驗所使用的 PL(Photoluminescence)量測系統是由楊賜麟老師實驗 室所提供，所使用的儀器設備有：
(1)固態雷射(solid-state laser)：此儀器為 Excel 公司所產，型號為 Excel 1000，波長為 532 nm，驅動電流 6 安培，雷射穩定度 1.9%
內，RMS 平均雜訊 0.7%，最大輸出功率為 1.5W，此雷射的目的是用 來激發樣品發光。
(2)溫控裝置:包含真空腔體(vacuum chamber)、降溫用壓縮機
(compressor)、機械幫浦(mechanical pump)、溫控器(temperature controller)。在降溫之前，先以機械幫浦將真空腔體抽至粗真空 (10-3torr)，避免因為水氣凝結，造成溫度無法下降，然後再使用氦 氣作為冷媒的壓縮機降溫，因為此壓縮機是水冷式的，所以在開壓縮 機之前，必須先開冷卻水，以防止壓縮機過熱造成損害。等溫度降至 最低，再使用溫控器去設定想要量取的環境溫度。
(3)冷卻水冷凍系統：冷卻水系統是 Firstek Scientific 公司出產，型 號 CF-100，主要用來冷卻壓縮機與固態雷射。
(4)聚光透鏡組(Focus lens)：用來聚焦雷射光與 PL 訊號。
(5)高通濾光片(high-pass filter)：本實驗所使用的是 695 nm 的 high-pass filter，其目的為濾掉雷射光，避免使雷射光進入光偵測 器中。
(6)衰減濾光片組(Variable Neutral Density Filter)：配合雷射功率 依需要使用適當的衰減片(filter)來達到所要的入射功率。
(7)光遮斷器(Optical chopper)：型號為 NEW FOCUS 3501，我們選擇的 葉片形式為 7/5 孔，所使用的頻率為 500HZ，其目的在使雷射激發光 源調制成方波的形式。
(8)分光儀(monochromator)：此儀器的型號為 ARC Spectro-275，其焦 距長度為 27.5 cm，內部裝置三塊光柵，光柵的選擇是依據實驗所量 測的波長範圍而定，而本實驗皆屬長波長範圍，因此使用的光柵為 600 groove/mm (BLZ=1000 nm)。
(9)鎖相放大器(Lock-in Amplifier)：此儀器的型號為 STANDFORD RESEARCH SYSTEM SR850，其參考頻率限制在 105kHZ 以下，參考頻率 的電壓必須在 400mV 以上，其目的在於測量微小的交流訊號。
(10)訊號放大器(signal amplifier)：將光偵測器的訊號整理放大再傳 給鎖相放大器。
(11)光偵測器(photodetector)：此儀器是由 Electro-Optical Systems 公司所生產的砷化銦鎵(InGaAs)光偵測器，其在 300K 的適用波長範 圍為 800nm 至 1800nm。
圖 2.2 所示為整個 PL 量測系統之架構圖，首先由最大輸出功率為 1.5W 固態雷射(solid-state laser)發射出波長為 532 nm 的雷射光，經由一片或 兩片衰減片(VNDF)降低雷射功率(視實驗需要)，然後將雷射光通過光遮斷 器，對雷射光進行調變，並將光遮斷器的頻率送至鎖相放大器作為參考頻率，
經過光遮斷器的雷射光經由第一面透鏡聚焦在樣品上，對樣品進行激發 (excitation)。而樣品被激發所放射的螢光再經由第二片透鏡聚焦在分光儀 的狹縫中進行分光，且在光進入狹縫前，使用一片 695 nm 的高通濾光片(high pass filter)，其目的即在於濾掉雷射光，以避免其對訊號產生干擾(因為螢 光相較於雷射光是屬於非常微弱的光)，之後螢光會由分光儀背後的狹縫射 出，再經由光偵測器去接收，最後將偵測到的訊號送至鎖相放大器處理之後
再傳回電腦，我們在電腦上進行操控動作。
2.3.2 電性量測系統
(1)Keithley 236：用來量測電流-電壓(I-V)的特性曲線。
(2)HP 4194 阻抗/增益相位分析儀：可以用來量測電容-電壓(C-V)、電容-頻率(C-F，亦稱為 admittance spectroscopy)、導納-頻率(G-F)、導 納-溫度(G-T)、暫態電容(transient capacitance)和特性曲線。
(3)DLTS 系統(SULA technology)：包含脈衝產生器、溫控系統、雙閘訊號 平均器、電容計、降溫系統及水平垂直紀錄器等。
(4)變溫量測系統：包括 Cryogenic、真空幫浦、真空腔體、LakeShore 330 溫控加熱器、三軸探針台及液態氮鋼瓶。
第三章
TEM 及 PL 量測與分析
3-1 HRTEM 掃描與分析
HRTEM(high resolution transmission electron microscope)為一高 解析的工具，它的成像主要由不同晶面組成，可以利用傅立葉轉換的技術，
用來了解在不同晶面上原子排列的狀況，我們想要知道加入 N 的 as grown 樣 品在晶格面上有什麼變化，就把加入 N 的 as grown 樣品拿去做 HRTEM 掃描，
如圖 3.1，HRTEM 可依照樣品結構上質量的大小或應力的強弱，在圖形上以不 同深淺的陰影解析出，從圖中可看到ㄧ個三角椎狀的陰影，我們算出陰影的 部分寬約 30~40nm，高約 10nm，符合一顆量子點的大小,推斷它是量子點，我 們把圖中量子點下方畫一條線，為 wetting layer 所在。把圖 3.1 經過傅立 葉轉換之後，結果如圖 3-2，我們再把此圖分別標示在量子點上方，量子點 自己，及量子點下方的三個圓圈區域放大，如圖 3-3(a)(b)(c)，可以看到每 個地方都有很多晶格錯位的 dislocation 存在，而其他附近位置沒有秀出來的 圖，也一樣是這樣的情形，至於離量子點更遠的地方，dislocation 缺陷濃度逐 漸變弱至無，因此我們可以推斷加入N 的 InAs 結構中，已經如我們所預期的 產生了缺陷，且這個缺陷為差排缺陷(misfit dislocation)，分布範圍是從 top GaAs，越過量子點，一直到 bottom GaAs，缺陷的濃度也相當的高。
3-2 光激發螢光 PL(Photoluminescence) 量測與分析
功率為1.3W，可以利用衰減片來調變我們需要的量測功率，使用的光偵測器 為InGaAs偵測器，其在室溫所能偵測的波長範圍為800nm到1800nm。圖3.4(a) 為室溫300K下的As、A7、A85、A9四片樣品PL圖，量子發光訊號波段約在 1230nm，我們使用功率高達1W對As樣品光激發，圖形中還是顯現極為低落的 量子訊號，且訊號的範圍非常寬廣，從波長1000nm分布到1600nm，反應出N 的加入造成了嚴重的載子空乏，幾乎已經沒有量子訊號，這點可跟我們HRTEM 圖形所掃描到的dislocation吃載子來做印證。另外一點值得注意的是，As 樣品的InAs量子點厚度只有2.6ML，文獻上以及我們實驗室之前的研究顯示，
要成長到約3.3ML的InAs量子點厚度樣品才會因為晶格鬆弛產生缺陷，吃掉載 子空乏量子訊號，由此我們可以推測，在InAs中掺入N這個元素，可以使晶格 鬆弛提早發生。接著看其他三片樣品，發光波長幾乎沒有變動，雖然強度還 是很低，但峰值強度有隨著熱退火溫度升高而增強的趨勢。半高寬方面一樣 很寬，表示能量不集中。圖3.4(b)為低溫25K下的As、A7、A85、A9四片樣品 PL圖，我們ㄧ樣對As用較大功率的能量，看到他表現出來的行為雷同於室溫，
峰值低落與半高寬高，接著我們再看其他樣品，有隨著退火溫度上升訊號愈 強的態勢，不一樣的是A85、A9樣品在波長850nm有一個相對於As、A7，有一 個逐漸明顯的的訊號產生，這是GaAs本身塊材訊號，在波長1050nm地方的另 ㄧ個訊號，我們猜測它可能是加入N後在價帶上方產生的deep level缺陷，但 這並不是我們要討論的範圍。另外一個不一樣的地方是，A9的量子訊號已經 超過深層能階的訊號。整體而言，As樣品經過退火後，量子訊號變的更明顯，
且退火溫度愈高強度愈強。圖3.5、3.6、及3.7分別為A7、A85、及A9在定功 率下的變溫圖。
第四章
電性量測與分析
4-1 電流-電壓(IV)量測與分析
為了了解 Schottky contact 品質好壞，我們必須先針對樣品做 I-V 電流 -電壓量測。從順向偏壓的 I-V 量測可以得知樣品的 ideal factor、串聯電 阻大小、以及 Schottky barrier height，判斷樣品結構是否形成良好的
為了了解 Schottky contact 品質好壞，我們必須先針對樣品做 I-V 電流 -電壓量測。從順向偏壓的 I-V 量測可以得知樣品的 ideal factor、串聯電 阻大小、以及 Schottky barrier height，判斷樣品結構是否形成良好的