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Atomic Force Microscope(AFM)分析

第三章 摻入銻(Sb)量子點之光性 PL 量測與 AFM 量測及分析

3.5 Atomic Force Microscope(AFM)分析

由圖3.9 AFM平面圖與圖3.10 AFM 3D圖,我們可以看到不論(a)2.0ML (b)2.2ML (c)2.8ML 各磊晶厚度,均有很明顯的兩群大小不同的量子點。我們將 大尺寸的視為InSb-rich,小尺寸的視為InAs-rich,並將兩群量子點區分出來,

詳如表3.1 表3.1

ML 直徑 InAs-rich(小) 直徑 InSb-rich(大) 顆數比 總顆數 2.0 15~40nm 180~190顆 ~50nm ~4顆 ~46 184~194 2.2 20~45nm 220~230顆 ~60nm ~20顆 ~12 240~250 2.8 45~55nm 170~190顆 ~65nm ~37顆 ~4.8 207~227

從顆數來看,2.0ML大顆的數目非常少,原因同PL解釋,顆數比差最多。2.2ML 二群顆數皆增加,這是由於2.0ML樣品是為了找出成核時間,導致2.2ML仍有部分 量子點形成,另一方面InSb-rich開始由二維轉三維,使大顆量子點增多,顆數 比變小。2.8ML小顆數目變少,大顆數目變多,推測是Sb持續加入,產生相分離 並取代As位置[39],故大顆漸漸取代小顆,顆數比最接近。

從直徑來看,隨著磊晶厚度增加,都變大顆。小顆量子點2.0ML與2.2ML,尺 寸明顯都不均勻,2.8ML直徑變大但卻較均勻。大顆量子點2.0ML至2.2ML尺寸與 密度變化大,這是由於InSb-rich的二維結構已經開始轉三維形成量子點所致。

第四章

摻入氮(N)量子點之電性量測的結果與分析

4.1 電流-電壓(I-V)、電容-電壓(C-V)量測結果

由於樣品基本參數已由本實驗室學長量測完畢,只列出結果如下:

I-V所得參數如下表:

樣品代號(結構) n R Is φBn

tr502(InAs/InGaAs) 1.2 650Ω 9.28*10-11 0.67v tr507(InAsN/InGaAs) 1.9 1832Ω 2.93*10-11 0.76v

C-V 所得參數如下表:

樣品代號(結構) Nd Vbi φn φBn Tr502(InAs/InGaAs) 6.4*1016cm-3 0.59v 49mev 0.64v Tr507(InAsN/InGaAs) 7.2*1016cm-3 0.75v 47mev 0.79v

詳細內容請參考本實驗室學長論文[41],我們會將相關資料拿來做參考,所 有相關電性量測原理亦不再贅述。論文有關結論如下:(1)在無摻氮(N) Tr502 (InAs/InGaAs)樣品中的quantum peak,其quantum emission time 非常短,溫 度 18K時仍小於 10-6s,沒有缺陷,由TEM得量子點密度為 3×1010cm-2。(2)在摻氮 (N) Tr507(InAsN/InGaAs)樣品,溫度 300K時載子時間常數約 10--3~10-5秒,有缺 陷能階產生,造成載子空乏。

4.2 導納頻譜(C-f G/f-f)量測 量測對應的頻率,做成 Arrhenius plot,如圖 4.2(b)。依照活化能與捕獲截面 積明顯分為兩部分,小偏壓活化能為 0.08~0.146 eV 與後面推算的捕捉位能障相

4.3 深層能階暫態頻譜(DLTS)與捕獲位能障(Capture barrier) 率(capture rate)。

(2)將(1)的步驟做四個不同的速率視窗(rate window),由於在不同速率視窗

σ 是捕捉截面積(capture cross section),v是平均速率(mean thermal velocity) 取 ,n是自由載子濃度(free carrier concentration)取摻雜濃度

, 4.4 10× 7cm/ sec

16 3

8 10 / cm×

σ

是與溫度無關的係數,Eσ是捕捉位能障(capture barrier)大小,

KB是波茲曼常數(Boltzmann constant)。

依照上述步驟,求得如圖 4.4(a)不同速率視窗之對應溫度及其捕捉速率與(b) 捕捉位能障,由此判定此樣品有捕捉位能障Eσ=0.151eV。

圖4.3(a)(b)(c)(d)為不同填充偏壓四個速率窗DLTS圖,飽和填充時間隨著 載子時間常數變大而愈大,詳細載子時間常數(飽和填充時間估計值)變化如下:

τ=0.86ms(0.7ms)→τ=2.15ms(2ms)→τ=4.3ms(4ms)→τ=8.6ms(8ms)

隨著載子時間常數增加,載子速率變慢,對應溫度變低,即對應的缺陷捕捉載子

4.4 暫態電容(Transient)量測

圖 4.5(a)(b)為-1~-1.5v暫態電容量測,將此暫態電容以指數函數模擬求出對應 的時間常數,再對溫度做Arrhenius plot如圖 4.6(a)(b),在此偏壓下,不論 Emission或Capture活化能均約為 0.07~0.08eV,捕捉載子能力又弱,為自由載子 訊號。接著我們將偏壓加深到-1.5~-2v,如圖 4.7(a)(b)量測溫度 120K~140K,

此訊號來源應為缺陷載子,故將其△C(t)/△C(0)取對數座標對時間做圖,如圖 4.8(a)(b)非常近似於線性,顯示暫態電容為指數函數。同理圖 4.9(a)(b)為其 Arrhenius plot,我們發現Emission的活化能為 0.25eV,缺陷濃度同DLTS推估 Nt=2.8×1015cm-3,Capture活化能為 0.19eV,Nt=1.8×1015cm-3

4.5 缺陷能帶模擬

由以上電性量測歸納,此缺陷能階位於傳導帶下方約 0.2~0.25eV,缺陷濃度約 1~2.8×1015cm-3,並且由於載子空乏造成捕捉位能障高度 0.15eV。為了再次確認,

參考論文[41]我們引用C-V得來的縱深分佈得到空乏區寬度約為 0.25μm。假設缺 陷要能造成空乏區寬度 0.25μm與位能障高度 0.15eV,則所需要的缺陷濃度由空

乏區寬度

1

2

s 2 t

W E

eN ε

σ

⎡ ⎤

= ⎢ ⎣ ⎦ ⎥

估計為 1.06×1015cm-3,恰好符合量測到的缺陷濃度。因 此我們做了此缺陷的能帶模擬圖,如圖 4.10,來表示量測到的缺陷參數。

第五章 結論

摻入銻量子點經由 PL 與 AFM 的分析,量子點分為兩群,得到銻元素有相分離的 現象,此現象導致 InSb-rich 量子點較晚出現,而後量子點隨著磊晶厚度增加而 增加。由磊晶結果得知,形成量子點的臨界厚度由 1.68ML(19.9sec)後推約至 2.0ML(24sec),表示二維轉三維的臨界厚度增加,Sb 延緩量子點形成,此即 Sb 的表面活化效應。由低溫半高寬判定,2.8ML 的 uniformity 最好,其他較差。由 變溫 PL 與半高寬知,低溫載子有穿隧現象,高溫載子容易由 InAs-rich 量子點 跳到 InSb-rich 量子點,隨著磊晶厚度增加,密度與尺寸變大,此現象於更低溫 發生。

無摻氮樣品溫度 18K時載子時間常數仍小於 10-6秒,沒有缺陷。有摻氮樣品於溫 度 300K載子時間常數約 10--3~10-5秒,有缺陷能階產生,造成載子空乏。以深層能 階暫態頻譜與電容暫態頻譜量測,此缺陷能階位於傳導帶下方約 0.2~0.25eV,隨 著偏壓加大能階愈深,為能階分佈很廣的缺陷,缺陷濃度約 1~2.8×1015cm-3。此缺 陷的暫態電容為可以填充達到飽和的指數函數,推測應該是摻入氮引起的點缺 陷。DLTS改變填充偏壓時間與不同速率視窗,求得捕捉位能障高度 0.15eV,再配 合縱深分佈的空乏區寬度 0.25μm,要造成此空乏所需要的的缺陷濃度為

1.06×1015cm-3。因此電性量測結果有很高的一致性,將其作成缺陷的能帶模擬圖,

如圖 4.10,推測直接將氮摻入量子點會於量子點位置產生缺陷造成載子空乏,使 得原本無摻氮量子點非常短的時間常數變長為 10-3~10-5秒(室溫)。因此我們相信 可以藉由摻入氮元素於量子點來調變所需要的時間常數。

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GaAs GaAs

圖2.1 摻入銻(Sb)量子點系列樣品的能帶與結構圖 InAs QDs doped with Sb

(24s、26s、32.9s) (2.0ML、2.2ML、2.8ML) 0.256Å/sec,485ºC

n-GaAs, 0.3μm, 595ºC Si:3×1016cm-3, 3.03Å/s

n+-GaAs Substrate n-GaAs 0.3μm, 595ºC Si:3×1016cm-3 , 3.03Å/s

在同樣長晶條件下

InAs QDs without Sb InAs QDs doped with Sb

19.9s形成量子點,約1.68ML 24s形成量子點,約2.0ML

量子點形成判定是藉由反射式高能電子束繞射(Reflection High-Energy Electron Diffraction, RHEED)圖形

GaAs

圖2.2 摻入氮(N)量子點與其對照樣品的能帶與結構圖 Al

0.3µm GaAs Nd=8×1016cm-3

GaAs

In

0.14

GaAs

0.3µm GaAs

InAs ( QDs )

InAsN

17%

( QDs )

Nd=8×1016cm-3

n+-GaAs substrate

In Si

圖2.3 PL量測系統之架構圖

圖2.4 InAsSb ternary alloys X-ray分成InAs-rich與InSb-rich兩群 Ref. Journal of Crystal Growth vol.237–239, p1519–1524, 2002

Laser 532nm

1.3W VNDF

Chopper Focus lens

PC

Vacuum and cooling system

Long-pass filter Ref. Signal

Lock-in Amplifier

Monochromator InGaAs

GPIB Interface

Multi-meter

photodetector

(a)

(b)

(c)

防震系統

圖2.5 (a)AFM懸臂樑及針頭TEM圖(圖片來源Ultrasharp公司網站) (b)凡得瓦力與距離的關係圖

(c)AFM示意圖

(a)

1000 1100 1200 1300 1400 1500 0.0

2.0x10-3 4.0x10-3 6.0x10-3 8.0x10-3

300K 50K dots-in-well 2.7ML 10mW

int ens ity (a. u.)

wavelength(nm)

(b)

1000 1100 1200 1300 1400 1500 0.0

1.0x10-2 2.0x10-2 3.0x10-2 4.0x10-2

1mW 100mW dots-in-well 2.7ML 300K

In tensit y(a. u. )

Wavelength(nm)

圖3.1 一般dots-in-well量子點 (a) 變溫PL圖 (b)室溫300K變功率PL圖

1000 1100 1200 1300 1400 1500

Inte nsi ty( a.u .)

Wavelength(nm)

dots-in-well 2.7ML 300K

1mW 100mW

圖3.2 一般dots-in-well量子點 室溫300K變功率正規化調整PL圖

InAs-rich InSb-rich

0.52eV

0.734eV 1.424eV 0.83eV

0.24eV

量子點尺寸 量子點尺寸

圖 3.3 二群量子點室溫能階模擬圖

900 1000 1100 1200 1300 1400

dots+Sb 2.0ML 25K

Intensity(A.U.)

900 1000 1100 1200 1300 1400 0.0

6.0x10-2

dots+Sb 2.2ML 25K

intensity (a.u.)

900 1000 1100 1200 1300 1400 0.0

dots+Sb 2.8ML 25K

Wavelength(nm) (a1)2.0ML (b1)2.2ML (c1)2.8ML

900 1000 1100 1200 1300 1400

Intensity(A.U.)

Wavelength(nm)

dots+Sb 2ML 25K

15mW

900 1000 1100 1200 1300 1400

dots+Sb 2.2ML 25K

Intensity (A.U.)

900 1000 1100 1200 1300 1400

dots+Sb 2.8ML 25K

Intensity(A.U.) (a2)2.0ML (b2)2.2ML (c2)2.8ML

900 1000 1100 1200 1300 1400 0.000

0.002 0.004 0.006

dots+Sb 2.0ML 300K

Wavelength(nm)

900 1000 1100 1200 1300 1400 0.0000

0.0005 0.0010 0.0015 0.0020

dots+Sb 2.2ML 300K

intensity (a.u.)

900 1000 1100 1200 1300 1400 0.0000

0.0005 0.0010 0.0015

dots+Sb 2.8ML 300K

Intensity(A.U.) (a1)2.0ML (b1)2.2ML (c1)2.8ML

900 1000 1100 1200 1300 1400

Intensity(A.U.)

Wavelength(nm)

dots+Sb 2ML 300K

7.5mW 750mW

(a2)

900 1000 1100 1200 1300 1400

10mW 90mW

dots+Sb 2.2ML 300K

Wavelength(nm)

Intensity (A.U.)

900 1000 1100 1200 1300 1400

32mW 320mW

dots+Sb 2.8ML 300K

Intensity(A.U.)

Wavelength(nm)

(b2)

(c2)

圖3.5 室溫300K變功率正規化調整PL圖 (a2)2.0ML (b2)2.2ML (c2)2.8ML

間距小

( 密 度 大 ) 間距大

( 密

度 小 )

圖3.6 載子侷限空間分佈耦合機率圖

900 1000 1100 1200 1300 1400

900 1000 1100 1200 1300 1400 0.0

5.0x10-3 1.0x10-2 1.5x10-2 2.0x10-2

2.5x10-2

dots+Sb 2.2ML

intensity (a.u.)

900 1000 1100 1200 1300 1400 0.0

dots+Sb 2.8ML

Intensity(A.U.)

(a1)2.0ML (b1)2.2ML (c1)2.8ML

800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600

dots+Sb 2.0ML

Intensity(A.U.)

Wavelength(nm)

25K 70K 115K 150K 180K 200K 250K 275K 300K

(a2)

900 1000 1100 1200 1300 1400 300K

25K 200K

Intensity (A.U.)

Wavelength(nm)

dots+Sb 2.2ML

(b2)

圖3.7 變溫正規化調整PL圖 (a2)2.0ML (b2)2.2ML

950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400

dots+Sb 2.8ML

Intensity(A.U.)

Wavelength(nm)

150K 120K 80K 60K 40K 25K

(c2)

950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400

dots+Sb 2.8ML

Intensity(A.U.)

Wavelength(nm)

210K 190K 180K 170K 160K 150K

(c3)

圖3.7 變溫正規化調整PL圖 2.8ML (c2)低溫區(c3)高溫區

0 50 100 150 200 250 300 0.06

0.08 0.10 0.12 0.14

FWHM(eV)

T(K) InAs-rich

ML2.0 ML2.2 ML2.8

0 50 100 150 200 250 300

0.03 0.04 0.05 0.06 0.07

InSb-rich

FWHM(eV)

T(K)

ML2.0 ML2.2 ML2.8

圖3.8 各樣品半高寬隨溫度變化圖 (a)InAs-rich量子點

(b)InSb-rich量子點

(a)

(b)

(c)

圖3.9 AFM平面圖

(a)2.0ML (b)2.2ML (c)2.8ML

(a)

2.0ML

(b)

2.2ML

(c)

2.8ML

圖3.10 AFM 3D圖

(a)2.0ML (b)2.2ML (c)2.8ML

102 103 104 105 106 107 108

InAsN/InGaAs 300K

C(pF)

InAsN/InGaAs 300K

-2V -1.5V

1000 10000 1000001000000 1E7 1E8 0

50 100 150

InAsN/InGaAs -1.5volt

G/f(pS/Hz) ln( τ T

2

) (sec-K

2

)

-1.5V Ea=0.34eV σ=4.16E-16 cm2

-0.5V Ea=0.08eV σ=2.63E-19 cm2 -1V Ea=0.13eV σ=1.13E-18 cm2 -2V Ea=0.38eV σ=5.74E-16 cm2 -2.5V Ea=0.41eV σ=3.10E-16 cm2

圖4.2 (a)變溫G/f-f量測偏壓1.5v (b)各偏壓的Arrhenius plot

(a)

150 200 250 300

-1.0

v=-1~-1.5volt

τ

=0.86ms

∆ C(pF)

T(K)

filling pulse tp 0.05ms

150 200 250 300

-1.0

v=-1~-1.5volt

τ

=2.15ms

∆ C(pF )

T(K)

filling pulse tp 0.05ms

50 100 150 200 250 300

filling pulse tp 0.05ms

v=-1~-1.5volt

τ

=4.3ms

(c)

v=-1~-1.5volt

τ

=8.6ms

∆ C(pF)

T(K)

filling pulse tp 0.05ms

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -4.0

-3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0

ln(1-S(t

p

)/S( ))

t

p

(ms)

τ=8.6ms C=0.824 s-1 T=205K τ=4.3ms C=1.468 s-1 T=215K τ=2.15ms C=2.067 s-1 T=228K τ=0.86ms C=3.243 s-1 T=242.5K

(a)

4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0

-57.0 -56.5 -56.0 -55.5 -55.0

ln( σ ) (cm

2

)

1000/T(1/K)

E

σ

=0.151eV

(b)

圖4.4 (a)不同速率視窗之對應溫度及其捕捉速率 (b)捕捉位能障

(a) (a) -1~-1.5v Emission

(b) -1.5~-1v Capture

(a)

ln( τ T

2

) (sec-K

2

)

1000/T(1/K)

ln( τ T

2

) (se c -K

2

)

1000/T(1/K)

圖4.6 暫態電容(Transient)量測所得Arrhenius plot (a) -1~-1.5v Emission

(b) -1.5~-1v Capture

(b) (a) -1.5~-2v Emission

(b) -2~-1.5v Capture

0 50 100 150 200 0.01

0.1 1

Emission

δ

C(t)/

δ

C(0)

Time(sec)

120K 125K 130K 135K 140K

(a)

0 10 20 30 40 50

0.01 0.1 1

Capture

δ C(t )/ δ C(0)

Time(sec)

120K 125K (b)

圖4.8 △C(t)/△C(0) (a)Emission (b)Capture

7.0 7.5 8.0 8.5 10

11 12 13

14

Emission

ln( τ T

2

) (sec-K

2

)

1000/T(1/K)

Ea=0.25 eV σ =2.5E-16 cm2

(a)

8.0 8.2 8.4

11.0 11.5 12.0

Ea=0.19eV σ =3.4E-18 cm2

Capture

ln (

τ

T

2

)(sec-K

2

)

1000/T (1/K)

(b)

圖4.9 暫態電容(Transient)量測所得Arrhenius plot (a) -1.5~-2v Emission (b) -2 ~-1.5v Capture

圖4.10 缺陷能帶模擬圖

Ec

capture barrier Defect level 0.15eV 0.2~0.25eV

Et Defect concentration

1×10

15

cm

-3

Depletion width

0.25μm

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