量測結果與分析

3-1 離子佈植的分佈與範圍

離子佈植提供帶電離子能量使離子能夠進入試片內，帶能量的離子和 試片內的電子及原子核碰撞而損失能量，最後停止。離子停止之前的總距 離稱為範圍R (range)。此距離再入射軸方向上的投影稱為投影範圍R^p (projected range)，離子在空間分佈上，投影範圍內會有一統計變動 (stattical fluctuation)稱為投影游走△R^p (projected straggle)，沿 著入射之垂直也有一個統計變動稱為橫向游走△R^⊥ (lateral straggle)，如圖 3.1[28]。

佈植後的離子分佈 n(x)可用高斯函數來表示，如下式所示： 在樣品中的分佈情形。其中TRIM(Transport of Ions Matter，which is a MONTE CARLO method)是一種具備估計、預測離子佈植後氮在樣品中的分 佈範圍及造成破壞的分佈情形的模擬軟體。而SIMS(二次離子質譜術，

secondary ion mass spectrometry)則是用C^S＋或O^2＋的離子撞擊材料並偵 測二次離子以進行縱深分析的技術。

由高斯函數和TRIM的模擬以及SIMS的結果，圖 3-2，我們可以看到氮在n^＋ -GaAs substrate中的分佈，由此我們可以確定我們佈植的能量可以達到 量子點所在的深度，圖中也顯示了在高溫熱退火到達 950℃下，氮在樣品 上依然沒有很明顯的擴散。

3-2 光性量測結果與分析

3-2-1 室溫及變溫 PL 分析

在 PL 的量測系統中，我們使用的雷射為 532 nm 的固態雷射，最大輸 出功率為 1.3 W，利用衰減片來改變我們所需要的量測功率，使用 InGaAs 偵測器，在室溫中能探測的波長範圍為 800 nm 至 1800 nm。圖 3.3(a)與 (b)為室溫 300K 下不同佈植濃度及和熱退火溫度的比較圖，我們可以發現 未經佈植的樣品在 1310 nm有很強的量子點訊號，在經過離子佈植後，其 量子訊號變得十分微小，而且訊號範圍非常寬廣，從 1000 nm至 1700 nm，

這也反映出氮的植入造成了很嚴重的載子空乏，使得原本的量子訊號消 失。由圖我們可以發現佈植過後的樣品在經由退火後，量子訊號逐漸回 復，且退火溫度愈高訊號強度愈強，另外我們也發現發光波長會隨著退火 增加會有藍移的現象，尤其劑量為 10¹²cm^-2 退火溫度 750℃平移了 160 meV，

為了確認此藍移是否與氮的佈植有關，所以我們將 as grown 未佈植的樣 品做一樣條件退火處理，如圖 3.4(a)(b)，可發現具有一樣嚴重的藍移現 象，我們認為其主要的原因為熱退火使 InAs 量子點相鄰接面處有 In 和 Ga 相互擴散，導致量子點成分改變，晶格常數變小，能隙變大，所以發光波 長藍移[29-30]。另外，由變溫 PL 圖，圖 3.5(a)(b)(c)，可發現經較高退 火溫度的樣品訊號強度會隨溫度的上升以遞減較快的，這是因為退火後發 光波長藍移，在能量結構上，量子點內的量子能階提升，導致量子能階與 GaAs 導帶相對位置的能階差縮小，這也表示說載子容易受到熱能而從量子 能階熱激發至 GaAs 導帶。

之後我們利用 Gaussian function 模擬我們在變溫 PL 圖所量測到的 訊號峰值的位置及 FWHM，圖 3.6 和圖 3.7，首先，由圖 3.6(b)(c)所呈現 出兩個峰值間距不隨溫度上升有所變化，所以我們判斷兩個峰值分別為量

子點的基態及第一激發態。另外，其隨退火溫度的增加峰值間距從 80 nm 縮小至 40 nm，我們認為原因為 In 和 Ga 相互擴散造成量子點內的能階改 變，導致基態與第一激發態的能階差縮小。圖 3.7 為 FWHM 對溫度比較，

我們知道 FWHM 愈小代表量子點的均勻性愈好，所以我們由此可以知道雖 然樣品在經過佈植後量子點被嚴重破壞，但經由熱退火後量子點可以得到 適度的回復。

3-2-2 氮佈植和磊晶摻入的 PL 比較

我們由未佈植及佈植後經熱退火的 PL 變功率圖來比較，圖 3.8 和圖 3.9，可觀察到經佈植退火的樣品有一拉長波長的訊號，我們推測此長波 長的訊號與氮的佈植所造成的成分波動效應(N composition fluctuat－

ion)有關，部分的氮經過退火後形成氮含量不同 InAsN 量子點，由圖 3.10 及圖 3.11 所示，由於氮成分含量較少，InAsN 能隙較 InAs 略低，發光波 長較長，又因為佈植所形成的 InAsN 量子點氮的成分不均勻，讓 InAsN 量 子點基態能階下方有不同的能階可以填，因此會使 PL 圖有一拉長波長的 現象。

另外我們將佈植的樣品與 InAs 量子點磊晶摻入氮 17％比較，圖 3.12 及圖 3.13，發現到也具有相同的長波長訊號。

3-3 電性量測結果與分析

3-3-1 電流-電壓(IV)量測與分析

由於我們的實驗樣品是以 Schottky 結構為主，配合 Schottky 的基礎 理論進而探討樣品內部的結構。因此我們要判斷樣品特性的好壞方便快速 的方法即是看電流特性曲線是否符合公式：

( )

_⎥

⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡ −

=I ⁻ 1

V I

) (

nkT IR V q s

e

其中I^s為逆向飽和電流(saturation current)，r^s為串聯電阻(series resistence)，n為理想因子(ideal factor)，k為波茲曼常數， T為溫度，

V為順向偏壓。由n的大小可以判斷Schottky 特性的好壞，當n值愈接近 1 代表Schottky特性愈好。以上述公式為依據，我們對的樣品做擬合 求取最佳化的逆向飽和電流，理想因子及串聯電阻，如下表 3-1 所示。

樣品 n Is(A) Rs(Ω)

劑量 10¹²cm^-2 as implanted 21.99 1.27×10^-7 893 劑量 10¹²cm^-2 RTA650℃ 2.14 1.41×10^-8 444 劑量 10¹²cm^-2 RTA750℃ 1.65 9.78×10^-10 223 劑量 2×10¹³cm^-2 as implanted 14.12 3.71×10^-7 1017 劑量 2×10¹³cm^-2 RTA650℃ 5.63 2.20×10^-8 974 劑量 2×10¹³cm^-2 RTA750℃ 1.23 3.69×10^-9 325

表 3-1

由上表我們可以發現樣品在經過佈植過後，理想因子和串聯電阻都會 偏大，但隨退火溫度增加會回復到較為理想的狀態，這是因為經過佈植 後，樣品的表面受到很破壞，造成表面的不平整，所以 Schottky 的特性 也較差，一般來言，由於氮是相對的是比較輕的元素，對佈植樣品表面的

損壞也較小，因此於由離子佈植所造成的損壞也可以經由退火處理而還 原，因而樣品的表面 Schottky 整流特性也會回到較理想的狀態。

圖 3.14、圖 3.15 為退火前後樣品的變溫電流-電壓圖。我們發現在未 退火的樣品在逆向偏壓下的漏電流隨溫度升高而增加，可見未退火樣品由 於離子佈植造成的缺陷太多，隨著佈植劑量的增加此效應更加明顯。圖也 顯示了退火溫度愈高在高溫下，漏電流增加愈小，Schottky的特性愈明 顯。因此，漏電流的大小必定和離子佈植造成的缺陷的多寡有關，而缺陷 的數量也影響了樣品Schottky特性。另外，我們由圖 3.16(a)(b)發現未佈 植的的切入電壓(turn on voltage)最高，隨退火溫度增加而減小，這也 顯示佈植過後的樣品形成具有較高阻值的現象，退火後，材料缺陷濃度降 低，阻值減小。比較GaAs的原子濃度為 4.42×10²²cm^-3，摻雜濃度為 1×

10¹⁷cm^-3，在此情況下，推論佈植劑量未對晶格造成太大的損壞，所以切入 電壓隨退火溫度升高而減小，較接近理想的Schottky特性。

由上述討論，隨退火溫度升高，漏電流隨溫度變化減小的這點可看 出，退火確實退去了導致漏電流增大的缺陷，但是卻形成了另一種缺陷，

使理想因子不為 1。

3-3-2 電容-電壓(C-V)量測與分析

電容-電壓的量測方法可以對一均勻摻雜的材料，經由外加偏壓的調變來 改變元件的空乏區寬度因而改變電容值得大小，再經由公式：

^W ( ^{q V}

bi

^{N V} )

D s s

= −

= 2

C

ε ε

( V V )

N

C

=

q

_{s D} ^bi − ε

2 1

2

N^D為載子濃度，W為對應的空乏區深度，V^bi為內建電壓(build-in voltage)。

因此我們可以推算出均勻材料內載子濃度及其所對應的深度，以便初步地

描繪材料的能帶圖。

圖 3.17 為樣品的電容-電壓(C-V)圖及其對應的縱深圖，我們可以發 現在零偏壓下，低頻佈植後未退火的樣品所對應到的深度約為 0.6μm，

退火溫度 650℃則為 0.3μm，退火溫度 750℃則為 0.2μm，其原因為樣品 經過氮離子佈植後，樣品受到破壞產生許多缺陷，導致載子空乏，因此，

當我們量測時，一加偏壓就直接空乏至 0.6μm，使我們無法看到深度約為 0.2μm 量子點所在範圍的載子分布情況，但是隨著不同退火溫度處理，其 載子被缺陷空乏的情形逐漸獲得改善，尤其在退火 750℃我們已經可以看 到量子點的訊號。另外，在圖 3.17(a)(b)中，我們可以很明顯得發現電容 值會隨頻率的增加往下平移，在經過公式轉成縱深分佈時，可以看到對應 的載子濃度會隨頻率增加往後移動，我們推測可能的原因是佈植後未退火 的樣品，缺陷濃度很高，導帶往上凸，具有較高的串聯電阻，所以電容值 會隨頻率增加而下降。

圖 3.18 和圖 3.19 分別為佈植前和佈植後退火樣品 C-V 變溫圖及縱深 圖，我們可以發現經佈值退火後的樣品量子點所侷限的最高濃度較佈植前 的濃度有所下降，而且侷限濃度隨溫度升高遞減較快，推測原因可能是 In 和 Ga 的相互擴散，這呼應光性量測所看到的情況。

3-3-3 深層能階暫態頻譜(DLTS)的量測與分析

深層能階暫態頻譜是廣泛的用於量測半導體缺陷的技術，其主要可量 測多數載子缺陷或是少數載子缺陷。其量測方式是先將缺陷填入電子，再 施加一個反向偏壓來空乏它。

n 型半導體蕭基結構的電容與載子濃度， 缺陷濃度的關係式是：

( ) ( )

( V V )

t n N A q

t

bi t d

−

= −

C

εε

2

⁰

( ) ( )

T

和縱軸的截距可以得到捕獲截面積(cross section) σⁿ。 一 broad spectrum 應該是晶格被破壞所造成的許多不同缺陷所提供的，

而經過退火 650℃後，圖 3.21(a)(b)，我們可以發現原本很寬的 Ea 訊號，

已經轉變為很窄的訊號，範圍為 200K 至 300K，但卻在高溫 350K 附近出現 了未退火樣品所沒有的訊號，稱為 Eb。首先我們先針對 Ea 的缺陷訊號做 分析，我們改變不同的 rate windows，所對應到的各別缺陷峰值訊號溫度，

求出此缺陷的活化能為 0.57 eV，我們由 CV 圖及縱深圖可知所加偏壓對應 的位置約在下層 GaAs 處，我們推測此缺陷能階位於 GaAs 差導帶底下 0.57 eV 處。另外，我們也針對此缺陷做了改變填充偏壓時間(filling pulse duration time)的 DLTS，圖 3.22(a)(b)，我們發現填充在 50 ms 與 100 ms

時，DLTS 峰值呈飽合狀態，所以我們推測這可能為氮的擠壓產生的錯位點 缺陷。

比較不同的是，我們在較低佈植劑量的樣品中，圖 3.22(a)，可看到 一ΔC向上凸的訊號，活化能約為 0.61 eV，捕捉截面積為 6.37×10^-14cm^-2， 由文獻[31]，我們認為是一個捕捉電洞的缺陷(hole trap)，是和氮有關 的受體缺陷，當氮佈植於n-GaAs後再經過退火後才會產生。至於最高溫 350K的訊號，得到的活化能約為 0.70 eV~0.87 eV，我們由活化能和捕抓 截面積推斷此高溫訊號為EL2 缺陷即As^ga所造成，我們之後會討論。

比較磊晶摻入氮的樣品，圖 3.23 和圖 3.24，我們發現在退火後的樣

比較磊晶摻入氮的樣品，圖 3.23 和圖 3.24，我們發現在退火後的樣

在文檔中 氮離子佈植InAs量子點特性研究 (頁 23-61)