電流-電壓(I-V)量測結果與分析

第三章 InAsSb(2.2ML)熱退火後之光性及電性量測結果與分析

3.2 電流-電壓(I-V)量測結果與分析

將InAsSb as grown和Annealing700

^O

C樣品，經由正向I-V曲線，圖 3.19 所求得的參數整理如下表：

N r

s

(Ω) Is(A) φ

^bn

(V) As grown 1.1 149 7.3*10

^-10

0.68 RTA700

^O

C 1.888 352 1.75*10

^-11

0.77

由上表中可以發現，as grown的ideal factor很接近理想值 1，而串聯電阻很小，表示此樣品的Schottky特性皆不錯，但RTA700

^O

C的Schottky特性較差，其ideal factor等於 1.888，顯示電流傳導機制有可能來自於缺陷的產生-再結合電流(generation-recombination current)，這說明了缺陷的存在。其串聯電阻較as grown樣品為大，串聯電阻的來源一般是由基材電阻或接面電阻所造成，另外的可能來源是由於樣品本身的缺陷過多，使自由載子被空乏而導致電阻大幅增加。因此，我們可以推測該樣品可能有晶格鬆弛現象而導致dislocation缺陷，當dislocation發生之後會產生高濃度的缺陷來捕捉自由載子，造成樣品內部有高阻值區域的存生，在稍後的電性量測中，

我們可以證實RTA700

^O

C確實有缺陷的存在，且部分自由載子被缺陷所捕獲空乏。

3.3 電容-電壓(C-V)量測與分析

在作 C-V 量測時，除了給予一直流的外加偏壓外，還會給一 AC 小訊號（osc level=0.01V）來調變，而所量得的訊號來源可能為量子能階或缺陷能階。若其放射速率跟得上AC 訊號的調變，則對電容有貢獻，反之，

若其放射速率跟不上AC 訊號的調變，則對電容沒有貢獻。所以從變頻 C-V 量測，就可得到量子能階或缺陷能階載子發射的速率為何。

圖3-20(a)為InAsSb (as grown和Annealing700

^O

C)兩片樣品在低溫下量測頻率為 10KHz的電容-電壓曲線圖。從圖中可以看出as grown從 0V到 -1.0V為典型塊材的曲線，而-1.0V至-2V都有一段電容緩慢變化的平台，當偏壓超過-2V時，又恢復成塊材的電容-電壓曲線。此電容變化的平台有可能是量子點侷限載子的peak。至於如何確認？由固定頻率的變溫CV量測，

利用

) ( ) 2

(

₂

2 0 dV

A dC q W

N

₋

εε

式將電容-電壓曲線圖換算成縱深分佈圖，如圖

3-21(b)所示，可以看出隨著溫度越低，peak濃度越高，這是常見的量子侷限效應。而在 0.28μm有載子堆積的peak存在，位置大概在量子點層(約 0.3μm)的附近，因此我們相信這個peak應為量子點侷限載子所造成。此外，

其載子堆積的濃度約為 1.3*10

¹⁷

^-3

，高於背景濃度(6*10

¹⁶

^-3

)，意味著有不錯的量子侷限效應，並沒有缺陷的存在。

然而Annealing700

^O

C的樣品，在電容電壓曲線圖中，如圖 3-20(a)，整段偏壓範圍都觀察不到電容變化的平台。而變溫CV量測中，如圖 3.22，亦看不到載子堆積的peak，取而代之的是大量載子空乏的情形發生。造成此情形的原因，我們推測該樣品發生晶格鬆弛，因此在異質接面處產生了很多缺陷，這些缺陷會捕捉載子，使得自由載子的濃度降低，造成載子的空乏。再看該樣品室溫CV圖形，如圖 3.23，也觀察不到載子堆積的peak存在且有大量載子空乏的情形。因此從C-V量測得知Annealing700

^O

C的樣品有缺陷的存在。

3.4

深層能階暫態頻譜(Deep Level Transient Spectroscopy,DLTS) 量測結果與分析

經由前幾節I-V、C-V量測我們得知，InAsSb(2.2ML)as grown的樣品並沒有明顯的缺陷訊號存在，但Annealing700

^O

C後有carrier depletion現象發生，故有缺陷的存在。所以先對as grown的樣品做大偏壓範圍的DLTS量測，如圖3-24(a)所示，偏壓範圍從 0~-3.5V，對應至樣品範圍從GaAs surface 涵蓋量子點一直到bottom GaAs，沒有發現缺陷訊號存在於樣品中。同樣地我們對Annealing700

^O

C大偏壓範圍的DLTS量測，如圖 3-24(b)，發現在溫度 200~400K間有極大的缺陷訊號。

為了釐清該樣品的缺陷分布情形，我們繼續做不同偏壓範圍的DLTS 量測。方法是採用填充偏壓(filling voltage)和觸發偏壓(trigger voltage)的差值固定是0.5V，而填充偏壓分別是 0、-0.5V、-1V、-1.5V、-2V、-2.5V。

圖3-25 是速率視窗(rate window)為 8.6msec，而填充偏壓時間(Filling pulse width)為 10 msec的DLTS圖。從圖中可發現Annealing700

^O

C樣品有兩個缺陷訊號的存在，在375K附近出現E1 缺陷，另外在 275K附近出現E2 缺陷。

從偏壓的位置可得知缺陷的分佈情形，對於E1 缺陷而言，0~-1.0V 缺陷濃度最大，遠離此偏壓位置缺陷濃度漸漸變小，打到interface 附近的偏壓缺陷訊號就消失了，這代表 E1 缺陷分佈在 GaAs surface 且延伸到 interface 附近。對於 E2 缺陷而言，訊號出現在-2.0~-3.0V 附近的缺陷濃度最大，代表E2 缺陷分佈在 QD 的 interface 附近。

圖3-26(a)(b)~3-27(a)(b)為E1 缺陷與E2 缺陷的不同速率視窗下之DLTS 圖和Arrhenius圖，所求出的活化能和捕獲截面積分別是：E1(Ea=0.60eV，

σ=4.52*10

^-16

²

)；E2(Ea=0.33eV，σ=2.04*10

^-18

²

) 。比較這兩個缺陷得知，E1 比E2 的缺陷能階更深，捕獲截面積更大。

在以前實驗室所做的研究中，於2.8ML InAsSb relaxed QD的樣品也有量到類似E1 與 E2 的缺陷能階，其活化能和捕獲截面積分別為：

Ea=0.64eV，σ=2.11*10

^-15

²

；Ea=0.35eV，σ=1.18*10

^-17

²

[36]。我們把 relaxed after annealing InAsSb QD 和 relaxed InAsSb QD 兩種結構的 Arrehenius plot畫在一起加以比較，如圖 3-28(a)所示，從圖中可以發現，確實存在兩個缺陷訊號(E1 及E2)，而且這些缺陷是因為發生晶格鬆弛所造成的。

而由上述 InAsSb QD 熱退火後的實驗結果，我們推測熱退火可提供應力鬆弛現象發生所需的能量，並產生類似於長晶超過臨界厚度而晶格鬆弛樣品的缺陷。

綜合上述光性和電性分析，我們匯製 InAsSb QD 熱退火後的樣品能帶圖，如圖3.28(b)，並將量測所得資訊顯現在能帶圖中。圖中可見熱退火樣品相較於as grown 樣品，有下列情形的改變：

1、由於InAs/GaAs 中 In 和 Ga atoms之間的inter diffusion ，因此能帶圖應會在interface處轉為continuous[41]。

2、 PL量測有發光波長藍移現象，得知量子能階往上提升，原因亦為In 和Ga的inter diffusion[38-39]。

3、有缺陷能階產生，分別為：

Misfit dislocation：0.33eV；Threading dislocation：0.60eV

第四章 InAsSb(2.8ML) 熱退火後之光性及電性量測結果與分析

4.1 光激發螢光(Photoluminescence)量測結果與分析

為了探討熱退火對於晶格鬆弛缺陷的影響。我們針對長晶超過臨界厚度而晶格鬆弛的樣品InAsSb(2.8ML)進行一系列的熱退火處理，溫度分別為 650

^O

C→700

^O

C→750

^O

C，而時間皆為 1 min。

圖4.1(c)~4.4(c)為一系列熱退火處理的relaxed InAsSb QD樣品，在低溫 20K時的PL圖。而圖4.5為各片樣品的低溫PL圖比較圖。由圖中可見，隨熱退火溫度逐漸升高，有逐漸藍移的現象產生。根據文獻[38-39]指出，此現象為InAs/GaAs中 In 和 Ga atoms之間的interdiffusion 。此外，熱退火後的樣品較as grown的樣品，於PL的峰值變弱，半高寬變寬，且均勻性變差。

再看室溫的情形，如圖4.1(b)~4.4(b)，其中Annealing700

^O

C的樣品，可以看見基態與激發態隨雷射功率有相對消長的情形，推測為單純量子點的行為。而將各片樣品的室溫PL圖比較，如圖4.6，發現隨熱退火溫度逐漸升高也有PL峰值變弱的情形。

圖4.1(a)~4.4(a)為四片樣品的變溫PL圖。圖中as grown樣品於各個溫度下，都呈現良好的均勻性，每個溫度下都有兩個peak，分別為基態與激發態；而熱退火的樣品，於各個溫度下皆存有三個peak，且均勻性都不好。

接著利用Gaussian和Lorentzian function將所量測的PL圖進行擬合，以細部探討基態與激發態的能階差(Energy separation)、半高寬(FWHM)及積分強度(Intergral Intensity)等相關資訊。圖4.7~4.8為as grown 樣品及

Annealing700

^O

C樣品的擬合圖形。

首先探討as grown樣品，如圖4.9(a)、4.10(a)，發現其PL特性相當好，

無論在低溫及室溫下，能階差大致維持在60~70meV，且有相當窄的半高寬，基態約維持在30meV，而激發態約維持在90meV；接著看

Annealing700

^O

C樣品，如圖4.9(b)、4.10(b)，發現在低溫下，激發態可分為兩個訊號，且與基態的能階差提高，而室溫下能階差卻窄化為45meV。而激發態解析成兩個半高寬，較as grown樣品有更大的半高寬。

綜合上述，由光性分析可見，熱退火對於relaxed InAsSb QD而言，會產生尺寸不均勻的現象，初步認為是Sb所造成的效應。相對應的是，本實驗室也針對relaxed InAs QD樣品進行熱退火的研究[42]，如圖4.11(a)~(b)，

發現熱退火後，使原先晶格鬆弛導致均勻性不佳的樣品，PL峰值大大提升，且有半高寬窄化的情形。可見含有Sb的InAs QD與純粹InAs QD的熱退火效應有相反的情形。下節我們將由電性分析來繼續探討熱退火於relaxed InAsSb QD的效應。

4.2 正向 I-V 量測

各片熱退火的relaxed InAsSb QD 樣品，經由正向 I-V 曲線，如圖 4.12，所求得的參數整理如下表：

n r

s

(Ω) Is(A) φ

^bn

(V) As grown 2.1 998 3.7*10

^-10

0.7 Annealing650

^O

C 1.519 179 1.57*10

^-9

0.66 Annealing700

^O

C 1.462 207 1.167*10

^-9

0.67 Annealing750

^O

C 2.013 495 8.73*10

^-11

0.73

其中ideal factor 及Leakage current 值愈小，代表Schottky 的特性愈好，這取決於蒸鍍或樣品的品質好壞。而串連電阻的來源一般是由基材電阻或接面電阻所造成，另外的可能來源是由於樣品本身的缺陷過多，使自由載子被空乏而導致電阻大幅增加。該樣品(2.8ML)的ideal factor較上一章 InAsSb(2.2ML)差，串聯電阻也較大。原因是晶格鬆弛對樣品產生dislocation 缺陷，當dislocation發生之後會產生高濃度的缺陷來捕捉自由載子，造成樣品內部有高阻值區域的存生。此外，由I-V曲線所量得的蕭特基障礙高度 φ

bn

，可以和之後的C-V量測所得的值做比對。

4.3 電容-電壓(C-V)量測與分析

各片熱退火的relaxed InAsSb QD 樣品，經由 C-V 曲線，所求得的參數整理如下表：

d

(cm

^-3

) V

bi

(V) ^φ

n

(meV) φ

bn

(V)

As grown 5.4*10

¹⁶

0.714 52 0.766 Annealing650

^O

C 3.8*10

¹⁶

1.284 65 1.219 Annealing700

^O

C 4.32*10

¹⁶

0.363 61 0.424 Annealing750

^O

C 4.43*10

¹⁶

0.6996 61 0.761

圖 4-13(a)為四片樣品在低溫下量測頻率為 10KHz 的電容-電壓曲線圖，從圖中可以看出四片樣品都在於0V 到-1.7V 的範圍內，電容值快速的下降，當超過-1.7V 時有不明顯的電容緩慢變化平台存在，當大於-3V 又回復到塊材曲線。利用第三章(3.4)式將電容-電壓曲線圖換算成縱深分佈圖，

如圖4-13(b)所示，可以發現四片樣品在 0.36μm 有載子堆積的 peak 存在，

位置大概在量子點層的附近，這個peak 應為量子點侷限載子所造成。

由圖 4-13(b)可見四片樣品皆在上層的GaAs有載子空乏的情形發生，

這是因為該樣品已有晶格鬆弛的發生。而四片樣品的濃度值如上表，as grown樣品的濃度為 5.4*10

¹⁶

^-3

，而熱退火後載子濃度有減少的情形，

<5.4*10

¹⁶

^-3

。而圖4-14~4-16 為各片樣品詳細低溫CV圖。

圖4-17~4-19 為四片樣品變溫的 C-V 圖。除了熱退火後樣品的載子濃度較 as grown 低之外，四片樣品的共同特性為：隨著溫度變低而 peak 濃度變化的幅度很小，這是因為缺陷捕獲了大部分的自由載子，使得量子能階侷限的載子很少，使得濃度變化不大，因此量子侷限能力較差。

圖 4-20～4-22 為四片樣品在室溫下變頻的電容-電壓曲線圖與縱深分

佈圖，從縱深分布圖中可以看出熱退火的樣品在室溫下載子堆積的 peak 對頻率有些微地變化。但對照CV 圖，在所有偏壓範圍下，皆有此高低頻的平移現象，因此判斷此為 CV 曲線平移的時間常數，並非 quantum

在文檔中熱退火於InAsSb/GaAs量子點光性及應力鬆弛引致缺陷之載子傳輸特性研究 (頁 28-0)

第三章 InAsSb(2.2ML)熱退火後之光性及電性量測結果與分析

3.2 電流-電壓(I-V)量測結果與分析

O

s

bn

-10

O

-11

O

O

3.3 電容-電壓(C-V)量測與分析

O

2

2

0 dV

A dC q W

N

−

17

-3

16

-3

O

O

3.4

O

O

O

-16

2

-18

2

-15

2

-17

2

第四章 InAsSb(2.8ML) 熱退火後之光性及電性量 測結果與分析

4.1 光激發螢光(Photoluminescence)量測結果與分析

O

O

O

O

O

O

4.2 正向 I-V 量測

s

bn

-10

O

-9

O

-9

O

-11

bn

4.3 電容-電壓(C-V)量測與分析

d

-3

bi

n

bn

16

O

16

O

16

O

16

16

-3

16

-3

^O

^bn

^-10

^O

^-11

^O

^O

^O

₂

₋

¹⁷

^-3

¹⁶

^-3

^O

^O

^O

^O

^O

^-16

²

^-18

²

^-15

²

^-17

²

第四章 InAsSb(2.8ML) 熱退火後之光性及電性量測結果與分析

^O

^O

^O

^O

^O

^O

^bn

^-10

^O

^-9

^O

^-9

^O

^-11

^-3

¹⁶

^O

¹⁶

^O

¹⁶

^O

¹⁶

¹⁶

^-3

¹⁶

^-3