缺陷與能階探討

在 1.2%的樣品中有清楚的頻率響應，所以我們針對這個偏壓下去量測 C-F 如圖[4.16]

所示，和1.8%相同的我們也可以看到同樣有電容變化的情形出現，且由其 Arrhenius 圖 可以求得其活化能為0.322 eV，這與 1.8%所量測到的 Ea 相當接近，所以這邊我們將其 令為Ea′，在圖[4.17]的 DLTS 量測中同樣與 1.8%相同的是可以看到在低溫出現了 Ea′其 活化能為 0.345 eV 且高溫也出現了 Ec，這個 Ec 與前面所量到的溫度範圍幾乎一模一 樣，所以在1.2%的樣品內也含有 EL2 缺陷的存在，至於 Ea′我們將 C-F 與 DLTS 的訊號

相比較會發現其十分接近可以看作是同一個來源，所以將這些點畫在 Arrhenius 圖上可 以求得其活化能為0.304 eV，這個訊號與前面的 Ea 對應，也可以看作是由成分波動效 應所造成的能階，在前面PL 的量測 CB offset 大約 0.21 eV，可是這邊同樣量測到較大 活化能，應該也是與 1.8%相同由較深的成分波動效應能態所產生的訊號。除了這兩個 訊號，我們並沒有看到前面1.8%所量測到的 Eb，這也可能是量測上偏壓加的不夠細或 是參數上設定的問題，在之後有機會可以再作更仔細的量測。再來利用C-F 去作量測希 望針對氮濃度為 0.6%的樣品中造成載子縱深空乏的缺陷做探討，但是因為這個樣品因 為頻率響應很小，所以在圖[4.19a]與圖[4.19b]分別可以看到針對兩個不同的偏壓去量 測，但是因為變化很小都沒有辦法求得其對應的活化能，在較深的偏壓-2.5 V 其實是可 以看到些微的變化，而這個偏壓下也就對應到我們所說的0.43 μm 的位置。利用電容頻 譜沒辦法確切的量得缺陷，所以我們進而利用DLTS 去作量測，我們分別量測了兩個偏 壓的區域圖[4.20a]-1~-1.5 V 以及圖[4.20b]-1.5~-2.5 V，在這兩個偏壓的範圍我們分別看 到兩個缺陷的訊號出現，與1.8%相同的是在低溫 150 K 左右存在有 Ea〞與出現溫度較 高大約在230 K 的 Eb′這兩個訊號相較於 1.8%是往低溫偏移了一些，所以其活化能也較 1.8%所量到的活化能來的小，分別為 Ea〞是 0.247 eV 而 Eb′則是 0.384 eV 這兩個訊號 能量都比較低，由於其他兩個樣品偏壓上的解析還不夠仔細，所以針對各個樣品之間缺 陷訊號的比較還需要更多的量測才能解析，圖[4.21]是仔細去解析濃度為 0.6%的樣品在 各個偏壓下當速率窗(rate window)為 8.6 ms 時的 DLTS 變化，再一開始的偏壓下是並沒 有缺陷的存在，而到了小偏壓下一開始其實是由Ea〞所主導的，但到了-1.5 V~-2 V Eb′

的訊號便突然之間便的很強，所以 Eb′是可以看成在深一點的位置上，而之後的偏壓仍 然可以看到些微的兩個訊號出現，其中Eb′的訊號一直到-3.5 V 都可以量測的到，但在-1.5 V~-2 V 之間是最強的訊號，如果 Eb′位置上是在量子井附近較深的能階，主要的躍遷是 與量子井的能階，而較深的偏壓上會量測到訊號是某段偏壓間費米能階因為載子在介面 累積被定在GaAsN 與 GaAs 之間，但是這邊可以由縱深圖形發現對 0.6%的樣品其表面 的空乏較少，所以載子被擠壓在下層介面的量必定較少，所以費米能階只會有一段偏壓 被定在那邊而與1.8%的樣品不同，並全部量測到下層介面的特性，且由圖[4.22]便是一

系列低溫下變化偏壓的photocapacitance 量測，與 1.8%有類似的現象在 0.6%的樣品深一 點的偏壓大約-2 V~-4 V 都可以看到有 EL2 缺陷的存在，但是與 1.8%的樣品相比較其電 容變化量變的比較少，且0.6%需要在深一點的偏壓才量測的到，所以可以看成在 0.6%

的樣品中其 EL2 的缺陷量較少，如此與我們在 C-V 上所量測到的結果也相吻合，因為 EL2 是深層的缺陷會很嚴重的侷限載子，當 EL2 缺陷濃度高時，很容易會吃掉載子侷限 在深層能階中，所以要到高溫才能將載子激發出來，反之對 0.6%而言其對應的 EL2 濃 度較低所以其量子井中仍可以保存較多的載子，反映在C-V 便可以清楚的看到量子井的 訊號。我們分別對Ea〞與 Eb′進行另外兩種量測。首先針對 Eb′的訊號，我們利用 DLTS 在填充偏壓的變化上，圖[4.23a]與圖[4.23b]分別是兩個不同速率窗 2.15 ms 與 0.86 ms 的 量測結果，在這兩個圖上相同結果，Eb′的訊號是會飽和的這代表著 Eb′是來自於一種點 缺陷，且我們利用填充偏壓的變化去計算其補抓位障(capture barrier)會發現對 Eb′而言幾 乎沒有補抓位障的存在，所以就我們的量測而言是看不到缺陷的補抓而只會量測到缺陷 的放射載子。再來針對 0.6%中 Ea〞我們也利用 transient 針對其特性作量測，圖[4.24a]

與圖[4.24b]分別是量測 Ea〞缺陷的放射(emission)以及補抓(capture)，當溫度大約 130 K 到160 K 附近可以量測到其放射的特性，但是反觀補抓卻沒有辦法量到很明顯的補抓情 形，這與前面量測Eb′有類似的結果，在放射的部分可以看到 Ea〞隨著時間變化會飽和 呈現指數變化也符合一個點缺陷的特性。

接下來我們針對 0.6%所量測到的Ea〞與Eb′作一些討論，在這個樣品下量子態是清晰 可見的，與其他兩個濃度有較大的差異，而在先前兩個濃度下所量測到的Ea與Ea′都很 接近於CB offset，對 0.6%而言，所以在這邊Ea〞也是由成分波動效應所造成的能態躍遷 到GaAs CB，如同前面PL所量測到的在 0.6%的樣品當中，氮的成分波動效應所產生的 能階大約在CB之下約 60 meV在GaAs CB下大約 0.198 eV左右，這很接近到transient所量 測到的0.213 eV，因為量子態的電子在 0.6%下是量測不到其時間常數的，所以Eb′缺陷 能階應該是躍遷到GaAs0.994N0.006量子井的基態，而且在250 Å的厚度之下量子井的基態 與產生Eb′能階的缺陷是很容易重合而產生躍遷機率的，另外在 1.8%中所量測到的Eb與

0.6%不同則是躍遷到GaAs CB所以這兩個能量間大約接近到 0.07 eV，因為成分波動效 應所產生的是localized state，其能階可能是產生一個範圍的能帶，所以其躍遷到的位置 有可能會量測到一個範圍的值，而DLTS量測之下也是有可能產生誤差，造成我們所量 測到的值有點偏差。由我們的推論，再與前面的結果做比較對應到光性量測的結果，其 CB offset隨著氮濃度的變化由 0.138 eV(0.6%)、0.209 eV(1.2%)與 0.294 eV(1.8%)，如果 再加上由DLTS所量測的值當作CB offset則其能量值隨著氮的增加呈現接近線性變化，圖 [4.25]可以看到我們將各濃度計算到的CB offset分別對應不同濃度畫在一起，並將各量測 所得的CB offset列在表[4.1]，在表中可以看到，再 250 Å下 1.8%與 1.2%所量測到的活化 能在電性上的結果相較於光性上所得的值來大了一些，前面提到這是因為氮的成分波動 效應所產生的結果，且成分波動效應所產生的並不會是單一個能態，所以在量測上電訊 號可能都是在某個特定範圍內而不會是接近於一定的值，針對這兩個樣品我們所量測的 值應該是接近到底層的介面處受到應力的作用以及EL2 的空乏，加上成分波動效應所造 成的能階影響，所以由所量測到的結果推論，成分波動效應所產生的能態可能集中在層 的介面處，但是並沒有辦法直接證明我們的猜測，再之後可以進行更仔細的探討。再來 由圖[4.25]利用線性迴歸可以計算的隨著氮濃度變化CB offset大約滿足方程式：

( _ ) 0.05767 0.13 ( _ _ )

Y CB offset = + X N composition x in eV

這個方程式與文獻上所得的值有一小段差距，一般大約一個百分比的氮會產生150 meV 左右的CB offset，而這邊如果不考慮截距也有大約 130 meV，所以這邊我們所求得的方 程式並不是很準確，原因可能是來自於，在光性量測中其包含有VB 的參與，而電特性 只單純包含CB 的部份，另外量測的誤差也要考慮在內，所以這邊才會產生大約 30~60 meV 的誤差。

表4.1 整理各量測所得不同濃度的 CB offset 光學PL 量測(eV) 電特性量測(eV)

0.6% 0.138 0.213

1.2% 0.209 0.304

1.8% 0.294 0.344

最後我們將這一系列不同濃度的量測總結在圖[4.26]的Arrhenius圖內，再將所有量測 到的缺陷活化能與捕獲截面積整理在表[4.2]，在表中可以看到針對我們Ea、Ea^′以及Ea^〞的 量測其活化能都在一個範圍內，這也許是因為氮的成分效應造成量測上會變的比較不那 麼準確，由前面可以知道在這三個濃度下大約都有個40~60 meV的成分效應能階再量子 井之下，經電性上的量測會得到與光性相當接近的結果，但在電性分析上我們針對熱退 火的樣品還沒有做探討，所以這方面我們在未來還要深入研究，希望能更加釐清我們的 樣品特性。經由一系列不同厚度與不同濃度的量測，我們大致上可以看出來這些缺陷的 一些基本特性，也推測其可能與GaAs內的點缺陷與氮的成分波動效應有關。另外針對 Eb缺陷其來源我們尚無法確定其可能的來源是哪些，但對應到GaAs的點缺陷其能量很 接近於EL5，但這些推論仍然有待我們做更深入的探討。

表4.2 整理各濃度與厚度缺陷活化能及捕獲截面積

樣品 缺陷 活化能(eV) 捕獲截面積(cm^-2) Ea 0.344~0.404 1.355*10^-14 Eb 0.447 5.937*10^-15 GaAsN63(N=1.8%)

Ec 0.753 5.084*10^-14 GaAsN65(N=1.2%) Ea′ 0.322~0.345 1.679*10^-15 Ea〞 0.213~0.247 8.376*10^-17 250 Å

GaAsN66(N=0.6%)

Eb′ 0.384 1.411*10^-15 295 Å GaAsN40(N=1.8%) Ec1 0.489 2.89*10^-20

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 0.0000

0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.0010

I (mA)

V (voltage)

GaAsN21 60 A N=1.8%

圖4.1 厚度 60 Å 濃度 1.8%蕭基特性的電流電壓圖

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0

GaAsN19 40 A X=1.8% 100k Hz

圖4.2a 厚度 40 Å 濃度 1.8%頻率 100K Hz 的變溫 C-V 圖形

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

10¹⁶ 10¹⁷

GaAsN19 40 A X=1.8% 100k Hz

N (cm-3 )

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0

0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 10¹⁷

-3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 350

400 450 500 550 600 650 700 750

C (pF)

V (V)

380 K 200 K

GaAsN63 250 A X=1.8% 500k Hz

圖4.4a 厚度 250 Å 濃度 1.8%頻率 500k Hz 的高溫與低溫 C-V 圖形

0.30 0.35 0.40 0.45 0.50

10¹⁶ 10¹⁷

N (cm-3 )

X (μm)

380 K

200 K GaAsN63 250 A X=1.8% 500k Hz

圖4.4b 厚度 250 Å 濃度 1.8%頻率 500 Hz 的高溫與低溫縱深圖形

-5 -4 -3 -2 -1 0

GaAsN63 250 A X=1.8% 5M Hz

圖4.5a 厚度 250 Å 濃度 1.8%頻率 5M Hz 的變溫 C-V 圖形

0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 10¹⁶

-5 -4 -3 -2 -1 0 300

400 500 600 700

GaAsN63 250 A X=1.8% 500k Hz

C (pF)

V (V)

300 K 320 K 340 K 360 K 380 K

圖4.6a 厚度 250 Å 濃度 1.8%頻率 500 Hz 的高溫 C-V 圖形

0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 10¹⁶

10¹⁷ GaAsN63 250 A X=1.8% 500k Hz

N (cm-3 )

X (μm)

300 K 320 K 340 K 360 K 380 K

圖4.6b 厚度 250 Å 濃度 1.8%頻率 500 Hz 的高溫 C-V 圖形

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 400

600 800 1000 1200 1400

C (pF)

V (V)

220 K 240 K 260 K 300 K

GaAsN40 295 A X=1.8% 100k Hz

圖4.7a 厚度 295 Å 濃度 1.8%頻率 100k Hz 的變溫 C-V 圖形

0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 10¹⁶

10¹⁷

GaAsN40 295 A X=1.8% 100k Hz

N (cm-3 )

X (μm)

200 K 240 K 260 K 300 K

圖4.7b 厚度 295 Å 濃度 1.8%頻率 100k Hz 的變溫縱深圖形

50 100 150 200 250 300 350

-50 -40 -30 -20 -10 0 10

GaAsN21 60A X=1.8%

Δ C (fF)

T (K)

Bias : -2.5/-4,5 V rate window(τ):

4.3 ms

圖4.8 厚度 60 Å 濃度 1.8%偏壓-2.5 V/-4.5 V 的 DLTS 圖形

10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶

500 550

C (pF)

f (Hz)

310 K 300 K 290 K 280 K 270 K

Bias:-0.8 V GaAsN63 250 A X=1.8%

圖4.9 厚度 250 Å 濃度 1.8%偏壓-0.8 V 的變溫 C-F 圖形

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

GaAsN63 250 A X=1.8%

Ea

Light on

Time ( s )

Bias: -2 V Light off

GaAsN63 250 A X=1.8% 100 K

Bias: -3 V

100 150 200 250

GaAsN40 295 A X=1.8%

圖4.12a 厚度 295 Å 濃度 1.8%偏壓-0.5 V/-2.5 V 低溫部分的 DLTS 圖形

GaAsN40 295 A X=1.8%

圖4.12b 厚度 295 Å 濃度 1.8%偏壓-0.5 V/-2.5 V 的 DLTS 圖形

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Δ C (pF)

T (K)

GaAsN X=1.8% different thickness

295 A

250 A 60 A 4.3 ms

rate window(τ):

4.3 ms 2.15 ms 0.86 ms

Ea

Eb

Ec X0.1

Ec1

圖4.13 不同GaAs0.982N0.018量子井厚度的DLTS圖形比較

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

GaAsN63 250A Ea

GaAsN63 250A Ea