不同厚度樣品量測

4.1.1 電流電壓與電容電壓量測 (I-V & C-V measurement)

為了更深入的了解先前眾多樣品其更深一層的物理特性，這邊我們利用電性量測的方 式，希望能針對各個樣品利用各種量測方式來了解GaAs1-xNx/GaAs量子井結構下的缺陷 特性。為了要進行電性的量測，樣品都已經過先前在第二章所描述的製備過程，當完成 樣品的電極之後，我們便針對完成的樣品進行電性量測，首先由電流電壓量測來確定我 們所製作的電極以及樣品本身的特性是否良好。這個段落我們先針對氮濃度為 1.8%但 不同量子井厚度的樣品作量測，由先前的研究[24][25]可以知道厚度為 120 Å以及 175 Å 的樣品其摻雜濃度過高大約在~10¹⁷ cm^-3，這麼高濃度的摻雜會導致我們量測時漏電流過 大影響到我們的量測，使得我們所要量測的主要區域被漏電流所影響，所以後面的討論 我們將針對摻雜濃度不會過高，大約在~10¹⁶ cm^-3的樣品作討論。在這邊利用電流電壓的 量測如圖[4.1]，利用蕭基接面的電流特性去作擬合，我們可以得知所量測的樣品其理想 因子(n)、漏電流(I0)及串聯電阻(Rs)，針對特性較好的樣品其理想因子大約在 1.4 之內而 漏電流大約在10^-9~10^-12 mA，串聯電阻大約數百歐姆左右，在這先情況下適當的選取量 測偏壓範圍便可以針對我們所想要的區域作調變。

在經過電流電壓的量測確認過樣品特性之後，我們便可以進行電容電壓的量測。首先 我們先針對厚度比較薄的量子井樣品作量測，圖[4.2a]與圖[4.2b]分別是厚度為 40 Å的樣 品其電容電壓量測結果與對應下載子縱深分佈圖，我們以100k Hz的頻率量測不同溫度 下的變化情形，在各個溫度之下都可以由電容電壓圖看到因為載子侷限所產生的平台，

對應的縱深分佈圖便可以更明顯的顯示出載子被侷限在量子井結構當中，其深度大約在

~0.4 μm與我們所成長量子井的深度相差約 0.1 μm但是縱深圖的表面是由約 0.2 μm開

始，所以相當於整個縱深圖平移了一段距離，若是將其往回平移便會接近到我們成長的 位置，在量子井兩旁可以看到因為被量子井侷限而產生空乏的區域，在空乏的區域載子 濃度相對減少幾乎快到一個數量級，再往更深或是更淺的區域載子的濃度變趨於一個定 值，這便是接近我們所n型摻雜的背景圖度大約是在 2×10¹⁶ cm^-3，另外可以很清楚的看 到隨著環境溫度愈高時，對應縱深分佈下量子井所侷限的載子濃度就變愈低，在低溫時 載子因為所處的環境溫度低其因為熱效應而產生的動能便很少，如此載子本身的能量很 低，所以有能量跳出量子井侷限位勢的載子數目很少，根據Fermi-Dirac分佈可以知道，

能量大於Fermi level往愈高能量所分佈的載子數目越少，而當溫度增加之後在高能量的 電子分佈數目會越多，所以隨著溫度增加便會由載子的縱深分佈圖看到量子警侷限的載 子濃度變少。因為各個溫度下在高頻率都可以量測的到載子侷限的訊號，所以受到侷限 載子的速度很快也就是一般量子訊號，因為量子井訊號的載子速度比起缺陷訊號來的快 的許多一般在psec，而以我們目前的量測儀器與技術量子井的訊號速度是超出了我們可 以量測的範圍之外，反之若是在特定溫度範圍下對我們的量測產生了頻率響應，便有可 能是由缺陷所造成的載子放射，因為缺陷所造成的載子侷限會更強且在較深的能量處，

如此一來載子再特定溫度下的放射時間常數會遠大於量子井侷限電子的時間常數，在我 們的各種量測系統之下便可以看到缺陷對特定溫度及頻率的反應。圖[4.3a]與圖[4.3b]是 對應更厚一點的量子井，其厚度為60 Å的電容電壓與載子縱深分佈圖，與 40 Å的特性 相近都有相同的趨勢與特性，只是在60 Å下量子井所侷限的載子濃度最高與前面我們所 量測PL特性相呼應，在PL量測上 60 Å的量子井光學特性比 40 Å更好，量子井訊號有更 強的發光強度，這便是載子濃度較高所產生的結果，之所以會產生較高的侷限載子濃度 原因，由比較這兩個厚度背景濃度大約可以看的出來，60 Å的背景濃度大約是~8×10¹⁶ cm^-3這個濃度大概是40 Å的四倍左右，所以在量子井中的載子濃度 60 Å較 40 Å高出許 多，而較高的載子濃度便會有較多的電子電洞對產生復合，如此一來在 60 Å的PL量子 井訊號才會有較強的發光強度。但是仔細觀察這兩個厚度下的載子縱深圖會發現在接近 表面的區域，60 Å的樣品有一個較大的載子空乏，也就是對較厚的 60 Å存在一個缺陷影 響了這個後厚下的載子縱深圖，之後會對這個厚度的缺陷再做探討。

更厚的樣品因為前面所提到的120 Å 與 175 Å 的特性不好，所以我們直接由 250 Å 與 295 Å 的樣品作量測與討論，圖[4.4a]與圖[4.4b]分別是 250 Å 的電容電壓與載子縱深分 佈圖，其量測的溫度分別是高溫的380 K 與較低溫的 200 K，由電容電壓圖可以看到在 這兩個不同溫度下作量測，其所展現出來的特性完全不一樣，再低溫200 K 時幾乎完全 看不到載子侷限，這與前面所量測兩個厚度較薄的量子井相差很多，當量子井越長越厚 時如前面所說的量子態會越來越低，以我們前面PL 的量測上推論，在 250 Å 的厚度之 下量子態幾乎已經接近到 CB edge 如此一來對電子而言便會存在一個很大的能障大約 0.3 eV。當溫度升到高溫之後在接近 0.4 μm 會產生一個載子的訊號根據這個訊號我們做 了更仔細的量測，圖[4.5a]與[4.5b]是在高頻下量測訊號隨溫度的變化，圖[4.6a]與[4.6b]

則是在較低頻一點所量測到的結果，再過了300 K 之後頻率為 500k Hz 的量測已經可以 量測到這個訊號，但是如果頻率高到5M Hz 便會很明顯的看到訊號不見了如圖[4.5b]所 示，這個訊號在300 K 時於高頻會有趕不上量測速度的情形出現，這與前面的量子井訊 號很明顯的不一樣，其特性與缺陷所產生的特性很像，在低溫的時候載子被侷限且需要 很長的時間才會將載子釋放出來，一直到了高溫才有能量讓載子由能階中激發出來被我 們量測到，但這邊我們尚未定論這個能態是否來自於缺陷能階，在後面我們會做更詳細 的討論。在更厚的量子井結構295 Å 同樣的在圖[4.7a]與圖[4.7b]可以看到量測的結果，

同樣我們量測了各個不同溫度下的情形，在縱深分佈圖可以看到在存在一個很大的空乏 區域，也就是有大部分的載子原本應該被侷限在量子井當中卻都被空乏掉，代表著在這 個厚度之下與250 Å 相同存在有大量的缺陷，在圖中可以看到低溫下並沒有明顯的載子 堆積出現，也就是有大部分載子都被一個很高的位障給侷限，且在低溫下載子能量低並 沒有辦法克服能障，所以到了高溫可以看到在大約0.43 μm 會有一個類似於 250 Å 也有 看到的訊號出現，在較深的位置上出現的載子峰值可以看成在量子井中較深的位置所量 測到的能態，費米能階需要較大的偏壓才能調變到，故縱深圖會顯示在較深的位置處。

為了更深入了解所以在下面我們針對這些樣品作利用其他量測方式作探討。

4.1.2 缺陷與能態量測 (defect and energy level measurement)

在這邊我們利用深層能階頻譜儀(DLTS)及其他量測技術去針對對各個厚度的樣品作 缺陷的分析，在較薄的厚度因為有較好的量子井結構與特性，所以我們量測其中一個厚 度60 Å，圖[4.8]是利用DLTS去量測 60 Å的結果，就如同前面所說的 60 Å的量子井訊號 很好，所以並沒有看到很嚴重的缺陷，在這邊只有量測到微弱的訊號，因為其訊號過於 微弱很難去判斷其出現極值的溫度位置，所以很無法計算其對應的活化能。前面分析可 以知道當厚度變厚時，量子井所出現的缺陷增加且CB能障也增加，所以更厚的 250 Å與 295 Å應該會出現更明顯的缺陷訊號。在 250 Å其電容電壓圖形已經可以看到清楚的頻率 響應，所以我們先利用電容導納頻譜(C-F & G-F)去量測其特定偏壓與溫度下電容與導鈉 隨著頻率的變化，圖[4.9]便是 250 Å的電容頻譜圖，很明顯電容隨著頻率的變化存在有 反曲點，這個反曲點代表在特定溫度下載子趕上我們所量測的頻率，其反曲點頻率值便 反應了在對應溫度下釋放出載子所需要的放射時間(emission time)，而當釋放載子所對應 的時間是與我們量測上的頻率相符合時，便會反映在電容值的變化上面使電容值下降。

而我們畫出此缺陷的Arrhenius圖可以求得對應活化能為 0.34 eV。除了C-F之外，也利用 DLTS針對這個樣品作量測，圖[4.10]是在偏壓 0 V到-1.25 V下量測的結果，圖中出現了 三個缺陷訊號分別是在低溫220 K左右的Ea、300 K左右的Eb與高溫 400 K才出現的Ec，

我們用Ea、Eb與Ec在圖中標示其在DLTS圖形中所對應的位置，這代表這在 250 Å的樣 品中可能有不只一種缺陷存在，而是兩種或是三種缺陷並存著，對應其前面的量測其實 我們已經知道在這個厚度之後樣品都存在有大量的缺陷，所以這邊會有這樣的量測結果 並不意外，這三個缺陷分別對應三個不同的活化能值，在圖[4.14]我們畫出其Arrhenius 圖同樣可以求得Ea、Eb與Ec分別對應 0.34~0.404 eV、0.447 eV與 0.753 eV，在圖[4.14]

中另外可以看到Ea與C-F所量測到的結果幾乎連成一線，所以這兩個訊號可以看程式來 自於相同的缺陷來源，在這邊我們尚無法確認這些缺陷可能的來源是什麼，但是可以根 據所量得能量作一些推論，第一個是Ea訊號很接近由我們前面所分析GaAs0.982N0.018的

中另外可以看到Ea與C-F所量測到的結果幾乎連成一線，所以這兩個訊號可以看程式來 自於相同的缺陷來源，在這邊我們尚無法確認這些缺陷可能的來源是什麼，但是可以根 據所量得能量作一些推論，第一個是Ea訊號很接近由我們前面所分析GaAs0.982N0.018的