第四章 實驗結果與分析
4.2 不同波長雷射調制的實驗結果與討論
在使用氦氖雷射調制的實驗結果中，我們在砷化鎵能隙 1.42 eV 附近，發現有調制訊號的存在。為了確定此訊號來源是否是來是於樣 品深層甚至是砷化鎵基板，所以換上 6 mW 波長 530nm 的固態綠光雷 射當調制源，藉由不同波長的雷射，對材料有不同的穿透深度，來確 定砷化鎵能隙附近的訊號來源。圖(4-24)是含銻 5.4%含氮 0.8%的樣 品在室溫 300K，同樣使用鍺偵測器，但是分別利用氦氖雷射調制與 綠光雷射調制所得到的實驗譜圖。由比較的結果來探討不同雷射波長 之間的差異。
圖(4-24).含氮 0.8%含銻 5.4%的樣品 c2398 在 300K 時，使用不同雷射調制得到 的實驗譜圖。虛線是用氦氖雷射調制的實驗結果，實線則是用綠光雷 射調制的實驗結果。
在圖(4-24)中，虛線是使用氦氖雷射調制得到的實驗譜圖，實線 則是綠光雷射調制得到的實驗結果。比較的結果發現，在砷化鎵能隙
遷訊號，而使用綠光雷射並沒有觀察到砷化鎵基板的訊號。由於波長 越長的雷射對材料有較大的穿透深度[53,54,40]，所以我們參考 Ryuji 等人的研究[52]，將不同波長的雷射，對砷化鎵材料的穿透深 度，列成表(4-1)。
表(4-1).不同波長的雷射對砷化鎵的穿透深度，引用自文獻[54]
雷射波長(nm) 400 600 800
對砷化鎵的穿透 深度(nm)
40 280 1100
在此氮銻砷化鎵系列的樣品裡，所摻入的銻與氮的含量很低，成 分近似於砷化鎵，所以我們推測，相較於綠光雷射，使用氦氖雷射可 以調制到樣品較深層的部分。因此對於使用氦氖雷射在砷化鎵能隙 1.42 eV 附近所觀察到的訊號，可以推斷是樣品深層砷化鎵基板附近 所產生的調制訊號。
GaAsN(Sb)
GaAs 電場 A
電場 B 氦氖雷射 綠光雷射
我們已經初步了解，使用氦氖雷射可以調制樣品深層部分，使用 綠光雷射則是調制樣品較淺層的部分。藉由圖(4-25)樣品結構示意，
來了解兩不同波長雷射所調制的範圍，以及樣品深層與淺層所指的是 樣品中的哪個部分。
圖(4-25).樣品結構示意圖
從樣品結構示意圖，圖(4-25)裡，可以清楚的知道，在能量範圍介 於 1 eV 到 1.3 eV 之間，使用氦氖雷射與使用綠光雷射都有量測到的 調制訊號，是來自材料氮銻砷化鎵的本身的電場 A。對於能量範圍在 砷化鎵能隙 1，42 eV 附近，只有使用氦氖雷射才觀察的到的調制訊 號，則來自於材料氮銻砷化鎵與砷化鎵基板界面附近的電場 B。由於 只有能量範圍在 1 eV 與 1.3 eV 之間的調制訊號，兩支不同波長的 雷射才皆有量測到，所以我們將只對此能量範圍的調制訊號來做比較
Photon energy(eV)
30K
P R int ens it y( a. u)
50K100K 200K
300K
圖(4-26)是樣品 c2398
GaAs
o.987N
0.13在溫度從 30K 到 300K，使用綠 光雷射調制得到的實驗譜圖，同時也附上使用氦氖雷射調制的實驗結 果來比較。圖(4-26).對只含氮 1.3%的樣品 c2398 用綠光雷射為調制源，從 30K 到 300K 的 光調制實驗譜圖。圖中的實線是綠光雷射調制所得到的實驗譜圖，虛 線則是使用氦氖雷射調制的實驗譜圖。
圖(4-26)裡，實線是綠光雷線調制的實驗結果，虛線則是氦氖雷射調 制的實驗譜圖。圖中可以發現使用綠光雷射調制的結果和氦氖雷射相 同，在 30K 也觀察到相同的兩個結構，當溫度到達 100K 時，使用綠 光雷射調制的實驗譜圖，已觀察不到和氦氖雷射同樣清楚分開的兩個 譜型。在 4.1 節氦氖雷射為調制源的討論中已經知道結構 H 是能隙的 躍遷所產生的調制訊號，結構 L 則是載子的侷限能態造成的調制訊 號。以下我們將使用與弱電場調制相關的勞倫茲譜型對綠光雷射的實
驗譜圖作擬合分析，圖(4-27)是對使用綠光雷射在 100K 時的實驗譜 圖擬合的結果
1 . 0 1 . 1 1 . 2 1 . 3 1 . 4 1 . 5 1 . 6
E x p e r i m e n t L F i t
H F it L + H F i t
dR/R
P h o t o n e n e r g y ( e V )
圖(4-27).使用綠光雷射調制在 100K 的擬合結果，短虛線是擬合得到的結構 L，
長虛線代表的是擬合得到的結構 H，實線是擬合得到的兩個結構疊加 結果。空心圓線是實驗譜圖。
從圖(4-27)的擬合結果中，長虛線是擬合得到能量結構 H，短虛線是 擬合得到的低能量結構 L。兩結構疊加後會得到與實驗譜圖一致的譜 型，如圖中的實線所示。因此得知在綠光雷射調制的實驗中，得到的 譜圖中也包含著兩個結構存在，我們將對 30K 到 300K 之間，擬合結 果中得到的的躍遷能量
E
H與E
L，與氦氖雷射的討論中得到的能量E
H與
E
L做比較，來看兩不同波長雷射得到躍遷能量有何差異。圖(4-28) 是取能量為縱軸溫度為橫軸，對 30K 到 300K 之間，使用氦氖雷射調 制的得到的能隙E
H與侷限態躍遷能量E
L，以及使用綠光雷射調制得0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 1 .0 0
1 .0 5 1 .1 0 1 .1 5 1 .2 0 1 .2 5 1 .3 0 1 .3 5 1 .4 0
Photon energy(eV)
T (K )
H e N e E
HH e N e E
LG re e n E
HG re e n E
L圖(4-28).擬合結果中得到的兩個躍遷能量隨溫度變化圖，圖中空心圓點與空心 方點是使用氦氖雷射調制的實驗結果擬合得到的躍遷能量
E
H與E
L 的，+號與 x 號代表的是使用綠光雷射調制的實驗結果擬合得到的躍 遷能量E
H與E
L，虛線是使用 double BAC model 做能隙計算的結果。由圖(4-28)的整理得知使用綠光雷射調制所得到的實驗結果中也包 含了兩個結構的躍遷能量
E
H與E
L，且兩能量的大小以及隨溫度變化 的情形與使用氦氖雷射調制得到的結果一致。因此也能確定，在綠光 雷射調制下，所觀察到的能量E
H是能隙的躍遷能量，能量E
L則可能 是侷限能態的平均躍遷能量。除了躍遷能量的比較外，我們也對使用不同波長雷射調制，得到 的兩個調制訊號隨溫度變化的消長做探討。圖(4-29)是取兩結構的相 對強度比
H L
I
I
為縱軸，溫度為橫軸，做兩調制訊號的相對強度比隨溫 度變化的趨勢圖，並把兩支不同波長雷射調制得到的實驗結果一同繪 於圖中來做比較。0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 - 0 .1
0 .0 0 .1 0 .2 0 .3 0 .4 0 .5 0 .6 0 .7 0 .8 0 .9 1 .0 1 .1
I
L/I
HT ( K )
G r e e n H e N e
圖(4-29).結構 H 與結構 L 的相對強度隨溫度變化的比較圖。X 號代表的是使用 綠光雷射調制的實驗結果，圓點是使用氦氖雷射的實驗結果。
在圖(4-29)顯示，兩不同波長雷射調制的結果中，兩者的相對強度 比，在 30K 到 300K 之間兩者皆會隨著溫度增加而逐漸變小。對此現 象在先前氦氖雷射的分析中已討論過。此外，在 30K 到 200K 之間，
使用綠光雷射調制得到的相對強度比，會大於使用氦氖雷射調制得到 的相對強度比。對於這樣的結果，我們推測低溫時，在低溫時樣品較 深層的部分，所造成的侷限效應較弱。而在樣品淺層的部分，所產生 的侷限效應較強。所以在使用綠光雷射得到的相對強度比，會大於使 用氦氖雷射調制得到的相對強度比。
藉由比較不同波長雷射的實驗結果，我們可以得知不同能量範圍 的訊號來自樣品的哪個部分。同時藉由兩不同波長雷射得到的相對強 度比的比較結果中，了解到此含氮 1.3%的樣品 c2398，低溫時在深層 砷化鎵基板與氮砷化鎵的界面附近侷限效應較弱。
對於其他不同摻雜濃度的樣品，藉由比較兩支不同波長雷射調制 的結果，我們也得到相同的結論。在此氮銻砷化鎵系列的樣品，低溫 時樣品深層砷化鎵基板與材料氮銻砷化鎵的界面附近，侷限效應皆較 弱。