Energy (eV)GaAs0.49Sb0.51
B. 變溫光激螢光光譜
為了進一步確認載子侷限效應，我們針對各樣品做了一系列的變溫 PL 實驗。圖 3-20(a)~(d)所示為各樣品的變溫光激螢光光譜，由圖可看出 In0.52Ga0.48As 以及 GaAs0.49Sb0.51兩片樣品的高能量峰值有隨著溫度上升而一 路紅移的現象；反觀中間組成的 InGaAsSb0.11以及 InGaAsSb0.27兩片樣品峰 值則隨著溫度上升有 S 形的變化趨勢，此點意味著中間組成的樣品確有載 子侷限的效果存在。
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0.7 0.8 0.9
N or m a li ze d P L I nt e ns it y ( a .u. )
Energy (eV)
300
N or m a li ze d P L I nt e ns it y ( a .u. )
Energy (eV)
220
N o rm a iliz e d P L In te n s it y ( a .u .)
Energy(eV)
N o rm a iliz e d P L In te n s it y ( a .u .)
Energy(eV)
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對於一般半導體材料而言，隨著溫度上升能隙下降的趨勢來自於溫度 變化造成的晶格擴張以及電子聲子間的交互作用增強[28]，這點是在前小節 變溫 PR 實驗中所觀測到的現象。對於光激螢光光譜的峰值能量隨溫度上升 呈現 S 形變化的現象而言，為半導體材料中載子侷限的典型行為，且早已 在 InGaN/GaN、GaInNAs/GaAs 等合金系統中發現並討論過[28][29]，這也 是 在 中 間 組 成 樣 品 所 觀 察 到 的 現 象 。 以 In0.40Ga0.60As0.89Sb0.11 以 及
In0.27Ga0.73As0.73Sb0.27 兩片樣品為例：在 13K~90K 的較低溫度區間內，受到
合金不均所造成的位障漲落影響，部分受侷限的載子將獲得動能脫離帶尾 侷限能階，接著轉移至位障中較低能階位置並產生帶間複合，這使得 PL 峰 值能量隨溫度上升而下降。到了 T≥90K 後，原本受侷限的載子開始獲得足 夠的能量逃離侷限態的束縛而能夠回到原本的能帶處，因而反應到 PL 峰值 的變化上便是隨著溫度上升而有能量上升的現象。最後當溫度足夠高時，
所有的載子都將回到原本的能帶上並開始遵循瓦西尼的經驗公式，使得發 光能量隨著溫度上升而下降。
接著將各樣品峰值能量隨溫度的改變畫於圖 3-21(a)中。由圖可看出 In0.40Ga0.60As0.89Sb0.11 以及 In0.27Ga0.73As0.73Sb0.27 兩片樣品的峰值能量隨著溫 度上升而呈現 S 型的變化，由於 In0.27Ga0.73As0.73Sb0.27樣品的能量轉折點較
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In0.40Ga0.60As0.89Sb0.11樣品來的晚，可以推斷 In0.27Ga0.73As0.73Sb0.27有較大的侷 限能。定量上來說，載子侷限能的大小可由螢光峰值 S 形的能量移動求得。
利用瓦西尼方程式並配合上侷限化效應[31]：
， (3-11)
式子中的 Eg(T)代表不同溫度時的能隙大小(bandgap)，α為高溫時的斜 率，β為與德拜溫度(Debye temperature)相關的參數，而σ則為載子的侷限 能 量 (localization energy) 。 我 們 可 以 利 用 上 式 擬 合 實 驗 數 據 並 求 得 In0.52Ga0.49As、In0.40Ga0.60As0.89Sb0.11、與 GaAs0.49Sb0.51的侷限能大小。圖 3-21(b) 所示為各樣品的侷限能大小，表 3-6 則列出擬合出的各參數值。由圖可發現 中間組成的樣品的確有較大的侷限能σ，這可能由於成長樣品時的合金不均 勻。
( ) ( )
kT T E T
T
E
g g2 2
0 σ
β
α −
− +
=
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Varshni fitting
Temperature (K)
0.64 0.66 0.68
0.70 In0.27Ga0.73As0.73Sb0.27
P L p e ak e n e rg y ( e V )
0.68 0.70 0.72
0.74 In0.40Ga0.60As0.89Sb0.11 Varshni fitting
0.76
Localized energy (meV)
Sb content (%)
圖3-21 (a)(b)：各樣品(a)發光峰值對溫度變化(b)侷限能大小
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第四章 結論
本論文第一部分利用激發相干光譜探討 InGaAsSb 薄膜中的載子復合機 制。擬合分析室溫下所量測的不同樣品發現，隨著電洞濃度提升，其電子 生命期皆呈現一次方反比下降關係。將第一段生命期與 InGaAs、GaAsSb 比較，可知 InGaAsSb 在高濃度端的生命期較長，因此在 InP/InGaAsSb/InP DHBT 元件上能有較高的電流增益值 β。接著，藉由低溫與室溫各樣品的 TREC 光譜可知，隨著溫度增加其生命期皆有下降趨勢；而在變功率 TREC 實驗中，電子生命期並不隨激發功率增加而改變。因此，確認了 InGaAsSb 材料中主導的載子復合機制為夏克禮，里德，霍爾復合。第二部分，藉由 室溫及低溫的 PR、PL 實驗決定了合金成分改變時的能隙變化趨勢。接著，
透過變溫 PR 實驗的量測，決定了此四元材料的瓦西尼經驗參數。最後，經 由低溫及變溫 PL 實驗，發現中間組成的樣品發光因受到合金不均勻的影響 而有較大的載子侷限效應以及更大的史托克位移量。
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