第二章 量測系統簡介
2-1 光激發螢光量測系統(Photoluminescence, PL)
本論文使用的 PL (Photoluminescence)量測設備由電物所楊賜麟老師實驗室 提供，其原理為對實驗樣品激發一大於或等於其能隙的光源，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而偵測。
(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
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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 波段範圍來選擇。
(8). 光偵測器(photodetector)：使用 Electro-Optical Systems 公司所生產的 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量測系統以如圖2-1所示進行架設，將波長532 nm固態雷射所發出的雷射 光，用不同倍率衰減片以降低輸出功率。將雷射光經由光遮斷器調變為方波形式，
並將光遮斷器的頻率送至鎖相放大器作為參考頻率。經過光遮斷器調變的雷射會 先光經過第一面透鏡後聚焦在樣品上，樣品受激發後進而放出螢光，螢光會經由 第二片透鏡將聚焦並通過一片695 nm的高通濾光片，將雷射光濾掉(為避免雷射 光訊號干擾)後進入分光儀的狹縫中進行分光，最後光偵測器會將偵測到的螢光 訊號傳送至鎖相放大器將與光遮斷器相同頻率與相位的訊號加以放大，再傳回電 腦存檔並讀出光激螢光光譜。
2-2 電流電壓量測(I-V)
實驗室所使用的電流電壓(I-V)量測系統為 KEITHLEY 236。我們會利用 I-V 量測來檢驗樣品經過蒸鍍或其它電極備製後特性的好壞，以確保樣品適合後續其 他電性發面的量測，再者我們也會利用 I-V 量測來探討照光下光電流的訊號。其 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
8 (Boltzmann’s constant)。本量測樣品理想因子大約在 1.0~1.4 之間，Schottky 特性 算不錯，而漏電流大約在 10-10 mA，串聯電阻約在 100 ~500 Ω。
其中 W 為空乏區寬度，ε 為半導體介電係數(permittivity)，A 為元件面積(2.34 ML 樣品 0.00785 cm2 3.3 ML 樣品 0.005024 cm2)，N(W)為空乏區為 W 時的載子濃 度。
9 (對應到不同區域)的量測，進而畫出阿瑞尼斯圖(Arrhenius plot)，由圖中的斜率 與截距，推算缺陷或侷限能階的活化能(activation energy)及捕捉截面積(capture cross section)。根據數學推導的結果，電容及電導對應頻率的公式如下[22,23]：
]
觀測 defect 能階範圍廣、尤其是較深層的缺陷能階(emission time 在毫秒等級的)
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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(利用雙閘訊號平 均器設定)，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
t1 -t2 ln(t2/t1)
en,max 。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(ΔC~0)，只有當溫度 在特定範圍，ΔC 變化才最大，與我們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(rate window，即 en,max-1
)，獲得多組不同 en,max與峰值溫度數 據，可同樣求出缺陷活化能與捕捉截面積。
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圖 2-1 PL 系統架構圖
PC
鎖相放大器
(測微小交流訊號)
光偵測器
分光儀 Laser
衰減片
(降雷射功率) Chopper (成方波)
聚焦透鏡 Long-pass filter
(濾掉干擾雷射光)
真空冷卻
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