第四章 實驗結果與討論
4.3 不同銻含量樣品的 PL 光譜比較
圖4.5(a)為樣品 C 與樣品 D 於 20 K 溫度下及激發功率為 10 mW 時的 PL 光譜圖、圖 4.5(b)為樣品 C 與樣品 D 於 300 K 溫度下及激發功率為 10 mW 時的PL 光譜圖、圖 4.5(c)為樣品 C 與樣品 D 於 20 K 溫度下及激發功率為 500 mW 時的 PL 光譜圖、圖 4.5(d)為樣品 C 與樣品 D 於 300 K 溫度下及激 發功率為500 mW 時的 PL 光譜圖。隨著銻的含量增加，在 300 K 時樣品的 發光波長並沒有太大的變化，當溫度降至20 K 後，原本樣品 C 的 PL 光譜 中InGaAsNSb 能階發光尖峰再隨著銻增加後，其發光強度驟然降低，我們 推估其原因為銻固然能有效的將量子井發光波長紅移至1300 nm，但是隨著 銻增加卻造成量子井受到壓縮應力增大，使得量子井鬆弛造成界面形成許 多的缺陷而降低發光效率。
圖4.6 為樣品 D 升至 300 K 之 PL 隨溫度變化關係圖，其雷射功率為 10 mW。由圖中可發現，樣品的 PL 強度隨溫度下降而增強。而由 InGaAsNSb 所發光的尖峰雖然也有增強，但卻比不含氮的量子井還弱，這也呼應適量 銻可以有效的拉長量子井的發光波長，也能有更好的發光效率，但隨著銻 的含量增加，其發光效率便因壓縮應力造成鬆弛產生缺陷而降低發光效率。
800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600
PL Intensity (a.u.)
Wavelength (nm)
Sample C Sample D
圖 4.5(a)樣品 C 與 D 於 20 K 溫度下及激發功率為 10 mW 時的 PL 光譜圖
800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500
-0.001
PL Intensity (a.u.)
Wavelength (nm) Sample C
Sample D
圖4.5(b)樣品 C 與 D 於 300 K 溫度下及激發功率為 10 mW 時的 PL 光譜圖
800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600
PL Intensity (a.u.)
Wavelength (nm)
Sample C Sample D
圖4.5(c)樣品 C 與 D 於 20 K 溫度下及激發功率為 500 mw 的 PL 光譜圖
900 1000 1100 1200 1300 1400 1500
-0.0010
PL Intensity (a.u.)
W avelength (nm) Sample C
Sample D
圖4.5(d)樣品 C 與 D 於 300 K 溫度下及激發功率為 500 mW 的 PL 光譜圖
800 1000 1200 1400 1600
PL Intensity (a.u.)
W avelength (nm)
20K
4.4 實驗與模擬計算比較
從PL 的量測上確實能觀察出量子井的特色，但由於本研究的樣品，其 元素種類較多，因此發光機制較為複雜。因此我們利用mathcad 軟體將 BAC 理論計算對照PL 光譜，將研究樣品中量子井中各元素成分估計出來。由前 述的BAC 理論模型，我們先模擬計算出量子井的成分。
圖 4.7 中，在不同雷射功率激發樣品 A，量子井發光波長與溫度變化 比較，我們計算出量子井成分為In0.31Ga0.69As；雖然在不同功率下，波長會 因為載子過多而造成能帶填充效應(band filling effect)使得波長會有藍位移 現象，但從圖4.7 中可發現其實只對模擬的結果造成些許的誤差，因此我們 可以將此效應忽略，此外在高溫時，由於載子的熱動能增加，所造成能量 的誤差也在圖4.7 中顯示。接下來我們模擬樣品A短波長的發光來源，由於 在之前此發光尖峰並未有受到明顯的溫度影響，所以我們認為此現象為覆 蓋層(cap layer)所造成的。經過模擬計算後如圖 4.8 所示，我們計算出覆蓋 層(cap layer)成分為In0.12Ga0.88As，此外經過模擬計算由圖 4.9 所示，其量子 井模擬後只會出現一基態能階，並未有激發態能階，因此也證實了覆蓋層 (cap layer)的假設。
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320
1.08 simlation
exp. high poer
0 2 4 6 0
1 2 3 4 5
Α B( ) Λ B( )
B
4.9 量子井模擬出一基態能階並未有激發態能階
接下來是模擬計算摻入氮的樣品B，由於之前所敘述原在 1200 nm的位 置發光尖峰有一些微的紅位移，這是歸咎於氮的摻入造成壓縮應力降低，
使得發光波長變長。經模擬計算後如圖 4.10 所示，我們計算出量子井成分 變為In0.33Ga0.67As0.99N0.01，雖然Ga的濃度比樣品A低 2％這可能是實驗誤差 所致。而從模擬計算結果也直接驗證加入氮確實能有效的降低壓縮應力而 造成紅位移。
0 50 100 150 200 250 300
0 50 100 150 200 250 300
最後圖 4.13、4.14、4.15 與 4.16 分別為我們將所得之實驗資料與各樣 品之參數，所模擬出來樣品能帶圖。
圖4.13 Sample A 量子井的能帶圖形
4.14 Sample B 量子井的能帶圖形
圖4.15Sample C 量子井的能帶圖形
圖 4.16 Sample D 量子井的能帶圖形
第 五 章 總 結
5.1 結論
InGaAs量子井特性對半導體而言，能帶圖是一個非常重要的特 性，量子井的能帶意謂著侷限電子與電洞的位勢，因此能帶圖對理論 計算上是非常有用的，並透過變溫的PL量測，探討氮含量與銻含量 多寡對InGaAs/GaAs量子井結構中光性的影響。在不同的溫度量測 下，我們發現摻 1%的氮在In0.33Ga0.67As 量子井中會造成PL強度增 強，而且其發光波長有些許紅位移(red shift)的現象；因此，我們可以 判定氮摻入量子井後，樣品B結構確實能減少部分壓縮應力造成量子 能階下降而形成紅位移；隨著銻加入至量子井中，在 300K時樣品C 的發光波長並沒有太大的變化，但當溫度降至 40K後，樣品 C的PL 光譜中有一發光波長約在1300 nm，而且其發光強度遠勝於在發光波 長約在1200 nm，而且其半高全寬也比較窄，這個光譜特徵尖峰來自 於含銻的量子井所貢獻。
原本 InGaAsSb 樣品的 PL 光譜中能階發光尖峰在隨著 Sb 增加 後，其發光強度驟然降低，我們推估其原因為 Sb 固然能有效的將量 子井發光波長紅移至1300 nm，但是隨著 Sb 的增加超過 30%造成量
子井受到壓縮應力增大，使得量子井鬆弛(relax)造成界面形成許多的 缺陷而降低發光效率。另外，我們利用 BAC 模型理論所計算樣品中 的氮與銻濃度含量，可再找尋其它實驗(如: x-ray)來確認我們樣品中 元素的濃度分佈，以驗證我們理論計算與實驗一致性。
5.2 未來展望
在中長程光纖通訊元件光源材料選擇上大多採用InGaAsP ，但 此材料對熱敏感度非常大，使得在操作上時必須有散熱裝置來為維持 其穩定性而造成增加封裝製程成本。近幾年來InGaAsN與AlGaInAs 兩種材料系統被發現具有更多的優勢後，吸引更多學術研究單位投注 在這兩大材料上的研發；尤其InGaAsN 以具有相當大的band offset ratio(△E : △Ec v = 7：3 到 6：4)取勝，因此在摻入銻後也能成功的將 波長拉至 1300 nm以上，並且對熱的敏感度低和電子溢流的情況有很 大的改善，其電子與重電洞有效質量特性也很適合發展成光圓點、體 積小的面射型雷射(VCSEL)之優勢，再加上其基板為價格便宜的GaAs 更能夠降低成本，因此發展前景相當看好。InGaAsNSb 是近年來發 展的新材料，有許多特殊的物理特性長晶技術也還不夠純熟，未來需 要產學界努力使其早日走向量產商品化的階段。
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