第一章 緒論
1.2 論文架構
第一章為緒論的部分，內容為材料 GaAsN 的背景介紹以及此篇論文的研究 動機。
第二章為樣品成長與量測系統簡介，我們針對樣品的製作及確保其導電性做 了理想因子(ideal factor)的量測，然而關於樣品的製備並不適本篇論文的重點，
因此細節部分並不會詳述。在這一章節中，我們也會提及論文中所有的量測系統 及其基本原理。
第三章為量子井內部能帶結構及缺陷分析，內容為未照光的 C-V 量測及縱
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深分布圖，並利用 DLTS 找出缺陷的存在。利用以上量測結果推測出量子井的 C-V 平台隨著溫度升高而往小偏壓移動的原因。
第四章為 GaAsN 量子井光激發載子的來源與機制，在這章我們為了確認光 電容的來源與機制，將樣品做了快速熱退火(rapid thermal annealing=RTA)的處理 並做光激發的 C-V 量測；為了研究量子井與缺陷貢獻的光電容對 C-V 量測有何 影響，我們分別用了 1.16eV 及 1.32eV 的 LED 光源作為激發光源，並由量測結 果建立一套光電容的模型。
第五章為總結，我們將回顧整篇論文的內容並做出結論，希望對 GaAsN 量 子井系統有更完整的認識。
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圖[1.1] 半導體材料晶格常數與能隙關係圖
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第二章
樣品成長與量測系統簡介
2.1 樣品成長
2.1.1 MOCVD 成長 GaAs1-xNx量子井
本篇論文的量測樣品為李威儀老師實驗室所提供，其成長方式為有機金屬化 學氣相沉積法(MOCVD, Metal-organic Chemical Vapor Deposition)，長晶時的基 板為(100)方向的 n+-GaAs，使用 Si 摻雜濃度約 3×1016cm-3至 3×1017cm-3，厚度約 0.4μm ， 成 長 溫 度 為 550°C 。 成 長 GaAs1-xNx 量 子 井 的 材 料 為 Ga 是 使 用 TEGa(triethylgallium)、As 為 arsine，N 使用 DMHy(dimethylhydrazine)。本篇論 文中的量子井厚度為 60Å 、120Å 、250Å ，氮濃度均為 1.8%(x=1.8%)。其中 250Å 除了 as grown 的樣品外，還有經過快速熱退火(rapid thermal annealing=RTA)處理 的樣品，分別為 600°C 及 700°C 時間 3min。樣品結構圖見圖[2.1]。其中 250Å 的 樣品其上層 GaAs 的厚度為 0.2μm，其餘的厚度均為 0.3μm。詳細的長晶細節請 參考文獻[1]。
2.1.2 蕭基接面及歐姆接面之電極製作
在電性量測上，須對樣品加一逆向偏壓以調變空乏區的大小，藉以了解載子 在樣品中的分布，於是有製作電極的必要。電極的製作方法主要是利用熱蒸鍍將 鋁(Al)鍍上樣品的表面形成蕭基接面(Schottky contact)，並在樣品的背面用銦(In) 製作歐姆接面(Ohmic contact)，詳細的製作方法如下：
(1) 使用超音波震洗器，將樣品與蒸鍍金屬 Al 沖泡去離子水(D.I. water)約 3 分鐘(去除表面雜質)，並用氮氣吹乾。
(2) 將樣品浸泡於丙酮溶液(Acetone)中約 3~5 分鐘，除去表面油漬。
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(3) 沖泡去離子水約 3 分鐘，將殘留的 Acetone 去除。
(4) 以 H2O:HCl = 1:1 比例調配將鹽酸稀釋，將樣品置入溶液中 15 秒，去除 陽離子及氧化物。
(5) 以同樣比例稀釋鹽酸將金屬 Al 表面的氧化層去除，使 Al 的表面成為乳 白色。
(6) 以去離子水沖泡約 3 分鐘，去除表面殘留的酸液，並用氮氣將其吹乾。
(7) 將清洗完成的樣品以真空膠帶黏貼於載台上，覆蓋上所需要的 mask 來 決定金屬接面的面積大小。本篇論文中所量測的最小面積為 0.005024cm2，最 大面積為 0.01767cm2。
(8) 置入蒸鍍機內，使用機械幫浦(mechanical pump)粗抽至真空度為 1x10-2 torr 後再利用擴散幫浦(diffusion pump)將真空度達到 2~3x10-6 torr 以下，開始 以熱蒸鍍的方式鍍上 Al。
詳細的歐姆接面的製備過程如下：
(1) 樣品完成蕭基接面後，在樣品的 GaAs 基板背面點上約 3 個高純度的銦 球(In ball)。
(2) 接著將其送入高溫 330 ℃的爐管裡加熱 3 分鐘，使 In ball 與基板的黏 合性增加，透過電性量測確保 In ball 間的電阻值小於 10 Ω，具良好的歐姆特 性。
(3) 再將其與一表面有覆蓋一層均勻度很高的熔融狀 In 薄膜之矽基板相連 接後即完成電性量測所需要的樣品製備。
2.2 量測系統簡介
2.2.1 光激發螢光量測系統 (Photoluminescence, PL)
本篇論文所使用的 PL 量測系統是由楊賜麟老師實驗室所提供。PL 量測可以 快速得知材料內部能階的結構，其原理為對實驗樣品入射一大於其能隙的雷射光，
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使價電帶(valence band, VB)中的電子吸收雷射光的激發能量後被激發至導電帶 (conduction band, CB)上，在價電帶上則產生了電洞，形成電子電洞對(electron–
hole pair, E-H pair)，而受到庫倫力所吸引的電子電洞對則稱為激子(exciton)，激 子在經過一段生命週期後電子落回價電帶與電洞復合，過程中可能是放出光子的 輻 射 復 合 (radiative recombination) ， 或 是 熱 輻 射 、 放 出 聲 子 等 非 輻 射 復 合
（non-radiative recombination）。
PL 量測系統所包含的儀器設備：
(1) 固態雷射(solid-state laser)：為 Excel 公司生產，型號為 LOC-VENTUS 1000 SERIES，為 CW 雷射，波長 532 nm，最大輸出功率 1.3 mW，雷射穩定度在 1.9%以內，RMS 平均雜訊為 0.7%，驅動電流 6 安培，主要利用此雷射來激 發樣品發出螢光訊號。
(2) 衰減濾光片組(Variable Neutral Density Filter)：利用衰減片來控制、調整實驗 所需的雷射輸入功率。
(3) 光遮斷器(Optical chopper)：目的在於使連續波的雷射形成方波的型式，所使 用的型號為 NEW FOCUS 3501，7/5 孔型式，固定頻率在 500 Hz。
(4) 聚焦透鏡(Focus Lens)：利用聚光透鏡將雷射光聚焦在樣品上。
(5) 溫控裝置：主要為了量測低溫與變溫的光學特性而設置，包含真空腔體 (chamber)、降溫用壓縮機(compressor)、機械幫浦(mechanical pump)、冷卻水 系統以及溫控器(temperature controller)。系統的最低溫度約在 10 K，可利用 循環氦的壓縮機與溫控器的加熱器相互配合以控制實驗所需的溫度進行量 測。
(6) 高通濾光片(Long-pass filter)：雷射光強度遠大於樣品所放射出的螢光，使用 695 nm 的濾光片將雷射光過濾掉，避免其進入光偵測器中干擾實驗結果。
(7) 分光儀(monochromator)：型號為 ARC Spectro-275，聚焦長度為 27.5 cm，內 部含有有三塊光柵，為 600 goove/mm(BLZ=1000 nm)，可根據實驗所需的波
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段範圍來選擇。
(8) 光偵測器(photodetector)：使用 Electro-Optical Systems 公司所生產的砷化銦鎵 (InGaAs)光偵測器，在 300 K 時所適用的波長為 800 nm 到 1800 nm。
(9) 訊號放大器(multi-meter)：將光偵測器所接收到的訊號放大。
(10) 鎖相放大器(Lock-in Amplifier)：儀器型號 為 STANDFORD RESEARCH SYSTEM SR850，目的在量測微小的交流訊號。
PL 量測系統以圖[2.2]表示的方式進行架設，首先將發光波長 532 nm 固態雷
2.2.2 電流電壓量測 (Current – Voltage measurement, I-V)
本論文所用到的電流電壓量測系統為 KEITHLEY 236。當電極(蕭基接面及 歐姆接面)製備完成後，會利用 I-V 量測以了解樣品電性是否良好，以確保樣品 適合後續其他電性方面的量測。主要是利用蕭基接面的電流特性，來擬合樣品的 漏電流(leakage current)、串聯電阻 rs(series resistance) 與理想因子 n(ideal factor)，
Schottky 電流公式如下：
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2.2.3 電容電壓量測 (Capacitance – voltage measurement, C-V)
本論文所用到的電容電壓量測系統為 HP4194。在蕭基接面下可藉由調變量 測樣品中的空乏區(Depletion region)及費米能階(Fermi level)以得知其反映出來 的電容特性。接下來的量測都與樣品的電容與導纳值有關。首先，C-V 量測主要
2.2.4 深層能階暫態頻譜量測 (Deep level transient spectroscopy, DLTS)
DLTS 技術在 1974 年首先由貝爾實驗室的 D. V. Lang 在 Journal of Applied Physics 提出。利用週期性變化電壓施加於樣品上，改變樣品空乏區的大小，在 連續不斷的暫態電容量測(Transient measurement, C-t)中，找出隨溫度變化時的最 大電容變化值的溫度，來獲得深層缺陷的資訊。優點：靈敏度高(可到 1010 cm-3 之濃度偵測範圍)、能測量多數與少數載子、觀測缺陷能階範圍廣、尤其是較深 層的缺陷能階(emission time 在毫秒等級)也能夠被精準量測到，提高信號對雜訊 的比值(S/N ratio)等。DLTS 技術主要是給定兩時間 t1與 t2，固定 t2/ t1，改變 t1
與 t2來設定不同速率窗(rate window)，電子發射速率 en隨著系統溫度變化而改變，
只有當 en剛好落在所設之速率窗中，量測系統才達到峰值，即有en,max=ln(tt2/t1)
2-t1 。 當溫度很低時，ΔC 變化幅度很小(ΔC~0)，當溫度很高時，ΔC 變化幅度又太快
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(ΔC~0)，只有當溫度在特定範圍，ΔC 變化才最大，與實驗時所設定的時間常數 最接近。設定不同 t1與 t2來改變不同速率窗(en,max-1
)，獲得多組不同 en,max與峰值 溫度數據，即可畫出阿瑞尼士圖(Arrhenius plot)求出缺陷活化能(activation energy) 與捕捉截面積(capture cross section)。
2.2.5 光激發電性量測系統
論文中所使用的光激發電性量測系統，為本實驗室自行架設，包含以鹵素燈 作為外加光源，並配合電性量測系統(C-V, I-V 或 DLTS)，以了解樣品於外加光源 時的電性特性。本論文中以具有連續發光波段(可見光至紅外光，500 nm~2000 nm) 的鹵素燈(Halogen lamp)作為光源，並透過分光儀使輸出光源為單一波長光源(半 高寬為 10nm)，再利用透鏡聚焦至真空腔體中的樣品上。在照射光源的同時並配 合電性量測系統的分析。光激發量測裝置系統如圖[2.3]所示。
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圖[2.1] 樣品結構圖
圖[2.2] 光激發螢光量測系統示意圖
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圖[2.3] 光激發電性量測系統示意圖
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第三章
量子井內部能帶結構及缺陷分析
3.1 光激發螢光量測 (PL)
為了得知不同厚度 GaAsN 量子井的內部結構，本團隊先前對其做了 PL 量 測。圖[3.1]為 60Å 、120Å 、250Å 在低溫 30K 下的 PL 圖形，可發現除了高能量 的量子井訊號(quantum emission)外，在低能量也出現了一個分布較廣、較胖的訊 號[5][6][7]，這個訊號在許多低溫成長下 Liquid Encapsulated Czochralski (LEC) 的 GaAs 基板都能觀察到，根據先前的研究[8][9][10]，其來源為 GaAs 本身 VGa 的點缺陷(point defect)：量子井中侷限的電子躍遷到價帶(valance band)上方的缺 陷能階所產生的訊號，圖[3.2]為其 PL 訊號來源示意圖。此缺陷在量子井樣品受 光激發而表現的電容-電壓特性占了非常重要的地位，論文第四章會再詳述。除 了 as grown 的樣品之外，為了釐清光電容在量子井中產生的來源，我們將厚度 250 Å 的量子井樣品作快速熱退火(rapid thermal annealing=RTA)的處理，目的是 將樣品中的缺陷消除。圖[3.3]為 250 Å as grown、RTA600 及 RTA700 的 PL 圖形。
由圖中可明顯觀察到，經過熱退火處理的樣品，在低能量的 PL 訊號(點缺陷 VGa) 明顯下降，且量子井的 PL 訊號隨著熱退火的溫度上升而變好。
3.2 量子井 C-V 平台的位移
3.2.1 電容電壓量測 (C-V)
為了研究量子井中載子受光激發的電性機制，我們有必要先對樣品做基本的 電容電壓量測(C-V)，以了解其內部各區域的載子濃度分布。圖[3.4(a)]、圖[3.4(b)]、
圖[3.5(a)]、圖[3.5(b)]、圖[3.6(a)]、圖[3.6(b)]分別為量子井厚度 60Å 、120Å 、250Å 未受光激發時的變溫 C-V 圖及縱深分布圖。由縱深分布圖可看出，三塊樣品的
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背景濃度約在 2×1016cm-3至 2×1017cm-3左右，大致符合長晶時的 Si 摻雜濃度；
另一方面，可看出樣品內部存有載子侷限，侷限的位置便是量子井的成長位置，
由於量子井將周圍的載子侷限於其中，便在周圍形成一下凹的空乏區。由厚度 60Å 可明顯觀察到，樣品的溫度愈高，侷限在量子井中的載子濃度就愈低：這是 由於載子在溫度較高的環境下，可獲得較高的熱動能，如此便有能力可以跳出量 子井的侷限位勢，使得縱深分布圖中侷限載子的濃度隨著溫度升高而降低；且因 著量子井的侷限能力下降，周圍空乏區的載子濃度便隨著溫度升高而回升。然而 120Å 的情況較為複雜，我們之後會再討論。
250Å 的縱深分布圖與 60Å 有很大的不同：在低溫 77K 時，從樣品表面到內 部約0.4μm 存在一個很大的空乏區，但卻看不到侷限載子的高濃度區域；一直要 到 220K 時，才在約 0.47μm 處看到載子堆積的現象。關於樣品內部存在如此大
250Å 的縱深分布圖與 60Å 有很大的不同：在低溫 77K 時，從樣品表面到內 部約0.4μm 存在一個很大的空乏區，但卻看不到侷限載子的高濃度區域；一直要 到 220K 時，才在約 0.47μm 處看到載子堆積的現象。關於樣品內部存在如此大