第四章 電性量測結果與分析
4.2 電容-電壓(C-V)量測與分析
4.2-1 C-V 量測的基礎理論
電容-電壓(C-V)量測是利用外加逆向偏壓來空乏半導體內的自由載 子，藉此改變其空乏區寬度。詳細原理見[36] 。
假設空乏區為一平行板電容：
C= W
0A
εε (4.3)
其中W為空乏區寬度，ε為半導體介電係數(ε=13.1 for GaAs)，A為元件面積 (A=0.005024cm2)。所以改變不同的偏壓就能改變空乏區寬度，而量測到的 電容值也會隨之改變。
C-V 量測常用來偵測半導體內多數載子濃度隨空間分佈的情形：
)
sh454(2ML) 5.905*1016 0.763 52 0.815 sh435(2.2ML) 5.574*1016 0.768 53 0.840 sh438(2.8ML) 5.899*1016 0.714 52 0.766 在作C-V 量測時，除了給予一直流的外加偏壓外，還會給一 AC 小訊
號（osc level=0.01V）來調變。若量子能階或缺陷能階的放射速率跟得上 AC 訊號的調變，則對電容有貢獻，反之，量子能階或缺陷能階的放射速 率跟不上AC 訊號的調變，則對電容沒有貢獻。所以從變頻 C-V 量測，就 可得到量子能階或缺陷能階載子發射的速率為何。
4.2-2 量測結果與分析
圖 4-3(a)為三片樣品在室溫下量測頻率為 10KHz的電容-電壓曲線 圖，從圖中可以看出2ML與 2.2ML這兩片樣品有類似的曲線，從 0V到-1.3V 為典型塊材的曲線，而-1.3V至-2V都有一段電容緩慢變化的平台，當偏壓 超過-2V時，又恢復成塊材的電容-電壓曲線。然而 2.8ML的樣品與另兩片 樣品不同的地方，是在於 0V到-1.3V的範圍內，電容值快速的下降，當超 過-1.3V時也有不明顯的電容緩慢變化平台存在，當大於-2V也回復到塊材 曲線。利用(4.4)式將電容-電壓曲線圖換算成縱深分佈圖，如圖 4-3(b)所 示，可以發現三片樣品在0.28µm有載子堆積的peak存在，位置大概在量子 點層的附近，我們相信這個peak應為量子點侷限載子所造成。而量子點長 晶位置是位在0.3µm，但三片樣品載子堆積的peak卻在 0.28µm，這是因為 蝕刻的關係，蝕刻條件為H2SO4:H2O2:H2O=1:1:10，蝕刻時間為 1~2 秒。為 何要作蝕刻的處理，這是為了要量測樣品表面的型態，所以在樣品的表面 刻意長了一層量子點，以供AFM(原子力顯微鏡)作量測，之後在作蒸鍍時，
我們會利用蝕刻將表面那層量子點吃掉，以避免影響後續的電性量測。
2ML、2.2ML與 2.8ML peak的濃度分別為 7.7*1016cm-3、8*1016cm-3和 5.4*1016cm-3，2ML與 2.2ML的濃度皆比 2.8ML高許多，這與PL量測到的特 徵相同。2ML與 2.2ML的濃度皆高於背景濃度(6*1016cm-3)，代表這二片樣 品有不錯的量子侷限效應，並沒有缺陷的存在。而2.8ML的濃度卻和背景 濃度(6*1016cm-3)差不多，且在上層的GaAs有載子空乏的情形發生，造成此 情形的原因，我們推測2.8ML樣品的厚度超過臨界厚度，在上層GaAs與量
子點的介面發生晶格鬆弛，因此在異質接面處產生了很多缺陷，這些缺陷 會捕捉載子，使得自由載子的濃度降低，造成載子的空乏，所以從C-V量 測得知2.8ML有缺陷的存在。
為了確認三片樣品的peak是否真為量子點的peak，我們對三片樣品做 變溫的電容-電壓量測，量測頻率設定在10KHz，如圖 4-4(a)(b) ～4-6(a)(b) 所示，可以看出隨著溫度越低，peak濃度越高，這是常見的量子侷限效應，
因此可以判斷這三片樣品的peak應該是量子點侷限載子所造成的peak。而 2ML與 2.2ML在室溫時的濃度皆為 8*1016cm-3附近，但溫度在 85K時，
2.2ML的濃度比 2ML高 3*1016cm-3，這顯現 2.2ML樣品的量子能階較深，
捕捉的載子相對會比較多，所以濃度較高，因此顯現其uniform及量子侷限 效應較好。至於為何 2.8ML隨著溫度變低，peak濃度變大的幅度很小，這 是因為2.8ML有缺陷的存在，缺陷捕獲了大部分的自由載子，使得 2.8ML 量子能階侷限的載子很少，濃度當然變化不大，因此其量子侷限效應最差。
圖4-7(a)(b)～4-9(a)(b)為三片樣品在室溫下變頻的電容-電壓曲線圖與 縱深分佈圖，從圖中可以看出三片樣品在室溫下載子堆積的peak 對頻率沒 有變化，表示室溫下載子從量子能階跳出來的速率跟的上AC 訊號的調變。
為了讓載子從量子能階跳出來的速率變慢，進而被我們儀器的量測範 圍 量 到 它 的 time constant， 因 此 我 們利 用 液 態 氮 降溫至 85K ，如 圖 4-10(a)(b)~4-12(a)(b)所示，為三片樣品在溫度 85K 變頻的電容-電壓曲線 圖與縱深分佈圖，由圖得知，載子從量子能階跳出來的速率依然跟得上 AC 訊號，比我們的 AC 訊號還快。
在85K 時，載子從量子能階跳出來的速率依然跟得上 AC 訊號，為了 想要量到三片樣品的quantum emission 訊號，我們試著利用液態氦把溫度 降至更低溫，如圖4-13(a)(b)~4-15(a)(b)，為三片樣品在 20K 下變頻的電容 -電壓曲線圖與縱深分佈圖，由圖可以發現載子從量子能階跳出來的速 率，還是跟得上我們的量測頻率，因為quantum emission 訊號實在太快，
所以並沒有被我們量測到。
綜合上述，本實驗從室溫一直到 20K都無法量測到三片樣品peak對頻 率的響應，這表示載子從量子能階跳躍出來的速率太快，也就是受到量子 點侷限的載子跟得上所使用的量測頻率，所以在本實驗的(20K，100KHz) 量測條件下仍然觀測不到quantum emission訊號，這代表在溫度 20K時 quantum emission的時間常數小於 10-5秒，所以要量測到quantum emission 的時間常數，則溫度需低於20K以下，量測頻率必需高於 100KHz。而 2.8ML 雖然保有量子點的訊號，但因其超過臨界厚度，在上層的GaAs/InAsSb介 面附近發生晶格鬆弛，而在異質接面處產生了許多缺陷，缺陷捕捉大部分 自由載子，造成載子被空乏，因此，在PL的量測實驗上可以看出其蜂值強 度低落。在C-V量測上可以看出其載子濃度銳減和carrier depletion的發生，
carrier depletion現象是發生在top GaAs。