第二章：樣品的製備與量測系統簡介，簡述樣品的製作過程及所使用的量
測儀器。
第三章：光性量測與分析，對樣品做光激發螢光量測，再針對所得量測數 據加以分析和討論。
第四章：電性量測與分析，對樣品做電性量測，再分別分析討論其量測結 果。
第五章：結論
第二章 樣品製備與量測系統簡介
2.1 晶片的成長
本論文所研究的 InGaAsN 單一量子井樣品，是以固態源分子束磊晶術 (Solid Source Molecular Beam Epitaxy)所成長。在 n+-GaAs(100)基板上，成長一 層厚度為0.3 µm 且摻雜矽的 n-GaAs buffer layer，矽摻雜濃度為 8*1016 cm-3， 其成長溫度為600℃。之後將溫度降至 420℃～460℃，接著再長 60Å InGaAsN (In:37.5%)單一量子井(SQW)，並且變化三種不同長晶速率，4.4 Å/sec (High Growth Rate，HGR)、2.78 Å/sec (Medium Growth Rate，MGR)、以及 0.506 Å/sec (Low Growth Rate，LGR)，最後再覆蓋厚度為 0.3 µm 的 n-GaAs layer，摻雜矽 濃度同樣為8*1016 cm-3，此為量子井樣品的長晶方式。
圖[2.1]為樣品的結構圖，相關長晶參數及樣品編號列於下表。
表2.1 樣品的長晶條件表
編號 InGaAsN 厚度 氮含量 長晶溫度 長晶速度
LGR 60 Å 2% 420℃ 0.506 Å/sec
MGR 60 Å 2% 420℃ 2.78 Å/sec
HGR 65 Å 1.6% 420℃ 4.4 Å/sec
2.2 電極製作
經由 MBE 磊晶成長的樣品，須在表面蒸鍍金屬使其為 Schottky contact (正 極)，樣品背面則為 ohmic contact (負極)即可，電極製作完成後其樣品才能做電 性量測。
2.3-1 Schottky Contact 的製作
本實驗樣品我們以鋁作為 Schottky 電極，pattern 為直徑 800 µm 的圓形(面 積為0.005024 cm2)。由於蒸鍍金屬與樣品之間的接面特性，影響金屬與半導體 接面的電阻大小，對我們實驗量測結果的準確性有很大的影響，因此，蒸鍍前 的樣品潔淨程序是很重要的。
以下簡述樣品的潔淨步驟：
(1) 將樣品及鋁條沖泡 D.I water(去離子水)，用超音波震盪器震盪約 3 分 鐘Î去除表面一般雜質。
(2) 將樣品及鋁條浸泡於 A.C.E(丙酮溶液)中，用超音波震盪器震盪約 3 分 鐘Î去除表面有機分子。
(3) 再將樣品及鋁條沖泡 D.I water(去離子水) ，用超音波震盪器震盪約 3 分鐘Î去除樣品殘留的 A.C.E。
(4) 樣品放入稀釋過的鹽酸溶液(HCl:H2O=1:1)中，約 15 秒鐘；鋁條則浸 在鹽酸溶液中以鎳子刮除表面氧化層，直到鋁條表面成乳白色Î去除
表面陽離子及氧化層。
(5) 樣品及鋁條沖泡 D.I water(去離子水)，用超音波震盪器震盪約 3 分鐘 Î去除殘留的鹽酸溶液。
(6) 以 H2SO4: H2O2: H2O=1:1:10 的溶液，對樣品蝕刻 1~2 秒，接著一樣沖 泡去離子水；樣品和鋁條皆用氮氣吹乾。
潔淨後的樣品置於固定座上，並用鋼製光罩(mask)覆蓋固定(固定座與光罩 皆用丙酮擦過)，將螺絲鎖緊後，然後把固定座與鋁條一起放入 chamber 中，再 用pump 分段將 chamber 內壓力抽至 3*10-6 torr 以下，即可加熱鋁使其汽化鍍 在樣品上，如此便完成Schottky contact 的製作。
2.3-2 Ohmic Contact 的製作
接著製作樣品背面的 ohmic contact。首先在已蒸鍍完成的樣品背面黏上兩 點銦粒(Indium ball)，再送入通有氮氣的高溫爐管(溫度 320 )℃ 約30 秒，之後量 這兩點銦粒的I-V 曲線，確定其 I-V 曲線為線性且電阻小於 10 Ω。另外將矽基 板裁切適當大小作為樣品的基座，並放在加熱平台上加熱至 180℃~200℃ (超 過In 熔點)，便可在矽基板上均勻抹上一層銦，最後再將樣品背面黏在基板上，
如此即完成Ohmic contact 的製作。上述正負電極結構，可參考圖[2.1]樣品結 構圖。
2-3 量測系統簡介
2.3-1 光激發螢光量測系統(Photoluminescence)
本實驗所使用的 Photoluminescence 量測系統(PL)是由楊賜麟老師實驗室 所提供，儀器設備如下：
(1) 固態雷射(solid-state laser)：此儀器為 Excel 公司所產，型號為 LOC-VENTUS 1000 SERIES，波長為 532 nm，驅動電壓 6 安培，鐳射穩定度 1.9 %內，
RMS 平均雜訊 0.7%，最大輸出功率為 1.3 W，而此雷射的目的是用來激 發樣品發光。
(2) 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)。
(3) 光遮斷器(chopper)：此調置裝置的型號為 NEW FOCUS 3501，我們選擇的 葉片形式為7/5 孔，所使用的頻率為 500 Hz，其目的在使雷射激發光源調 制成方波的形式。
(4) 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 300 K 的適用波長範圍為 800 nm 至 1800 nm。
(5) 濾波片(filter)：本實驗所使用的是 695 nm 的 long-pass filter，其目的為濾 掉雷射光，避免使雷射光進入光檢測器中。
(6) 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 105 kHz 以下，參考頻率的電壓必須 在400 mV 以上，其目的在於測量微小的交流訊號。
(7) 溫控裝置：包含壓縮機(compressor)、壓縮機控制器、真空室(chamber)、機 械幫浦、和型號為Neocera LTC-11 的溫控器。在降溫前，先以機械幫浦將 真空腔室抽至粗真空(10-3 torr)，如此可避免因為水氣凝結，造成溫度無法 下降的情況發生，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 造成任何損害。通常等溫度降至最低，再使用溫控器去設定想要量取的環 境溫度。
如圖[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 1.3 W 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(filter)去降低雷射輸出功率(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，我們另外使用一片 695 nm 的高通濾波鏡(long 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，
在電腦上顯示我們所要的數據並存檔之。
2.3-2 電性量測系統
樣品製作完成後，將進行電性量測，所使用的設備如下：
(1) Keithley 236：是用來量測基本的電壓-電流(I-V)特性曲線。
(2) HP 4194 阻抗/增益相位分析儀：主要用來量測電容-電壓(C-V)、電容-頻率 (C-F，又稱為 Admittance Spectroscopy)與暫態電容(Transient Capacitance)等 特性曲線。
(3) 深層能階暫態頻譜系統(Deep Level Transient Spectroscopy，DLTS)：共包含 脈衝產生器、電容計、雙閘訊號平均器、溫控系統、降溫系統及水平垂直 紀錄器等部份。
(4) 變溫量測系統包含 Cryogenic、真空幫浦、溫控器(LakeShore330)、液態氮 鋼瓶、真空腔體與三軸探針台。
所有實驗量測數據，都是藉由電腦透過GPIB 介面控制卡來控制儀器與讀取數 據，再經由軟體處理與作圖。
圖2.1 InGaAsN 單一量子井之結構圖
Al
n-GaAs 0.3 µm (Si: 8*1016cm-3)
InGaAsN SQW 60 Å n-GaAs 0.3 µm
(Si: 8*1016cm-3)
n+-GaAs substrate In
Si Wafer
圖2.2 PL 量測系統之架構圖
Laser 532nm 1.3W
VNDF
Chopper Focus lens
PC
Vacuum and cooling system
Long-pass filter Ref. Signal
Lock-in Amplifier
Monochromator
InGaAs photodetector Multi-meter
GPIB Interface
第三章 光激發螢光量測與分析
3.1 三片樣品 PL 的概略比較
樣品的長晶品質，可由 PL 量測頻譜得到初步的判斷。在室溫 300 K 及低 溫30 K 下，我們使用大功率 325 mW 來激發 LGR 和 MGR 樣品，才激發出較 明顯的訊號，而HGR 用 6.5 mW(300 K)和 1.3 mW(30 K)即有很強的 peak[圖 3.1]
[圖 3.2]，代表 HGR 的量子井結構最佳，有良好的載子侷限效應；LGR 則幾乎 沒有任何載子訊號出現，有可能已不具二維量子結構。HGR 的波長約在 1260 nm (300K)，MGR 則紅移至 1337 nm (300K)，這些微量的偏移歸因於成長時降 低長晶速率，更多的氮原子有機會溶進量子井層，使得量子井層中氮含量增 加，當氮含量愈多則導電帶的band offset 愈大，因而拉長發光波長。
3.2 變溫 PL 分析與討論
圖[3.3(a)(b)(c)]為各樣品的變溫 PL 頻譜圖，各樣品所用的激發功率如圖上 所示。HGR 樣品在 21K 時在 1183 nm 有很強的激發訊號，且半高寬非常狹窄 約21 meV，然而 InGaAsN 主峰值旁卻出現一低能量的小 peak(如圖[3.3(a)]箭頭 所標示)，隨著溫度升高，小 peak 漸漸與主訊號融合在一起。相似的不對稱訊 號在N-As alloy 的結構中也出現[13]，在文獻中提到此低能量的不對稱訊號，
升高趨向於不明顯，可解釋為被侷限的光載子受熱得到能量，從侷限能階躍遷 至非侷限能階，這也同時說明當含氮量高時，樣品不可避免的會受到成份波動 效應的影響。HGR 樣品溫度降低所出現的小 peak，約與 InGaAsN 主峰值相差 30 meV (此數值直接由圖得知，因為 LGR 的小 peak 太弱，無法精確 fitting 出 來)，可推知量子井中局部區域的氮含量特別高，也就是有 N-rich 的區域存在。
至於略為降低長晶速率的 MGR 樣品，從 InGaAsN 激發訊號半高寬變寬，
以及主訊號旁的低能量peak 增強(如圖[3.3(b)]箭頭所標示)，可看出其成份波動 效應更為明顯。值得注意的是，MGR 樣品的低能量 peak 似乎隨著溫度升高而 與 InGaAsN 主峰值一起紅移，代表低能量 peak 的能階可能與 InGaAsN 基態 pin 在一起。MGR 樣品溫度降低所出現的 peak，由圖[3.4] PL fitting 的數據得 知，約與InGaAsN 主峰值相差 38 meV，與 HGR 所得到的 30 meV 非常接近。
我們更進一步將長晶速率降低，從 LGR 樣品的變溫 PL 頻譜[圖 3.3(c)]只 有在1070 nm 有較明顯的訊號出現，但完全沒有 InGaAsN 的激發訊號，推測 其成份波動效應更劇烈使得樣品不具量子結構。為了確定 1070 nm 訊號的來 源，同時我們也量了LGR 樣品背面訊號的變溫 PL 圖，發現同樣在 1065 nm 處 有明顯peak(如圖[3.5])，與圖[3.3(c)]比較後可以證實 1070 nm 來自背面訊號，
可能是使用了大功率的雷射束激發樣品，連帶著把背面的訊號也激發出來。其 實三片樣品在低溫PL 頻譜中都可以看到此背面訊號，只是 HGR 樣品由於所使 用的雷射激發功率弱(1.3mW)，背面訊號在圖中只看到微微突起，並不明顯，
加上其InGaAsN 主訊號很強，更使得背面訊號很微弱；MGR 樣品相較於 HGR 其主訊號較弱，背面訊號就更明顯；至於LGR 完全沒有 InGaAsN 的激發 peak，
因而更加突顯背面訊號；若改為較小功率激發，會減弱此背面訊號，比較不造 成影響，但也會影響主訊號的激發強度，權商之下我們還是以大功率的量測結 果為主。
3.3 TEM 與 X-ray 分析與討論
圖[3.6]為 HGR、MGR 與 LGR 的 TEM 圖，HGR 及 MGR 的界面平滑整齊，
沒有明顯的缺陷存在；而LGR 樣品的 InGaAsN 層可看到變成三維成長，界面 非常不平整，甚至表面呈現波浪狀扭曲，證實已不具量子井結構。再由 X-ray 圖可知(圖[3.7])，長晶速率最慢的樣品並無晶格應力鬆弛現象，因此可排除此 原因造成PL 訊號很弱的可能，其 TEM 圖所看到不平整的情形，推測 LGR 樣 品已出現含氮材料常見的相分離問題，造成摻雜的氮原子有群聚跟分離的情 形。長晶速率較快的兩片雖無明顯相分離，但是量子井層依舊存在成份波動效 應。
MGR 樣品的量子井界面平滑，也可經由 X-ray(400)繞射圖來驗證，圖中可 清楚看到interference patterns。而 HGR 有可能量子井長晶品質更好，幾乎沒有 任何晶格不匹配存在，因此繞射圖形看不出為兩種材料，也無 interference patterns 產生。