本章節要先就本論文主要研究樣品，2.34 ML fine 量子點的基本特性去做主要研 究說明前的基本介紹，包含穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope, TEM)上的所看到的量子點分布情形、dark 情形下電性電容電壓(CV)量測及縱深 圖去分析量子點對應偏壓及空乏區位置、光性光激發光譜（PL）量測去觀察其 發光位置所對應能量、以及深層能階暫態頻譜（DLTS）量測去找出量子點的缺 陷(defect)位置。
4-1 TEM 分析
我們利用 TEM 技術來分析量子點在奈米尺度下其空間的結構，圖 4-1 為 2.34 ML 量子點的橫切面暗場圖，圖中的影像亮暗程度對應了原子序的大小，亮的部 分代表著其分佈範圍存在原子序較高的元素，相反的暗的部分為原子序較小的元 素；由 2.34 ML 的 TEM 圖我們可以看到，其亮點位於量子井中的分佈大多是大 小與形狀上是類似的結構，並且多呈現橢圓形或梯形，這代表著 2.34 ML 樣品量 子點結構在大小跟形狀上是均勻的，而根據之前研究對其寬度與高度的統計，可 以知道 2.34 ML 樣品的量子點平均高度約為 19.6 nm，基底寬度約為 8.4 nm
4-2 PL 分析
藉由 PL 螢光光譜的量測，我們可以得到該量子點的發光位置，由發光位置 所對應能量我們可以了解該樣品的發光範圍。圖 4-2 為 2.34 ML 樣品在固定激發 強度 10 mW ，隨溫度變化的光激發螢光光譜圖，由圖可以看出其訊號分成兩包 peak，一包在較低能量位置是量子點基態(Ground State, G.S.)訊號，而另一包發 光位置在較高能量位置是由第一激發態(First Excited State, F.E.S.)所貢獻，由圖可 以看出隨著溫度上升兩包訊號有往低能量紅移的現象，以基態為例，隨著溫度上
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升其發光位置由低溫 50 K 時的 1 eV 逐漸紅移到高溫 300 K 時的
0.96 eV， 同樣的情況也發生在第一激發態訊號上，而上述紅移的原因是由於 InAs 量子點的能隙在隨著溫度上升過程中將由大變小，反映在光譜圖上就會發 現發光位置由高能紅移到低能量；並且我們利用導電帶(Conduction band)與價電 帶(Valence band) 7:3(CB:VB=7:3)的比例，針對基態訊號與第一激發態訊號去做活 化能上的估計可以得到基態活化能在低溫時約為 364 meV 在高溫時約為
364 meV,而第一激發態活化能在低溫 50 K 時約為 322 meV 在高溫 300 K 時約為 280 meV，其低溫下能帶示意如圖 4-3 所示。
4-3 DLTS 分析
為了要在接下來的研究中能先對 2.34 ML 量子點空間結構的組成有更多了 解，特別是缺陷的性質，我們對樣品的整個偏壓範圍 0 V 到-3.5 V 每隔-0.5 V 一 個範圍去做了 DLTS 的量測，如圖 4-4 (a) ~ (e)所示；由量測的結果發現本樣品從 結構表面到量子點偏壓位置都有一個明顯且訊號形狀類似的缺陷存在，所出現的 溫度大約在 350 K 附近，由文獻查證可以知道它應該為一個 EL2 缺陷，而在過 了-2.5 V 後可以看到訊號明顯的減弱，這代表著其缺陷濃度在空間中的分部大多 是存在樣品表面到量子點位置之間的位置。
我們將 DLTS 上所量到的訊號繪成阿瑞尼士圖(Arrhenius plot)的表示方式，
如圖 4-5，並根據 4-1 式去擬合其活化能與捕捉截面積，如表 4-1 所示。
的 4-1 其中為一常數，對 n-type GaAs 而言其值為 2.28×1020 cm-2s-1K-2，σn為捕捉截面 積、Ea 為活化能。然而由表格中可以看到在偏壓位置-0.5 V 以後捕捉截面積的值 開始出現異常，所擬合出來的數值已經遠大於一般所認知到捕捉截面積數量級，
不能符合我們的預期，而如此擬合出來的活化能深度也不免讓我們感到懷疑；因
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而在此我們只能先確定 2.34 ML 樣品確實在內部存在缺陷，並且由訊號出現溫度 範圍合理懷疑是 EL2 缺陷，至於我們得到的異常捕捉截面積值與活化能量目前 懷疑是由於 DLTS 機台掃動原理是在一週期內(1 s)先給予一個 filling puls(1ms 到 100 ms 不等)，然後在剩餘時間(999 ms 到 900 ms)內將缺陷訊號掃出，然而假如 該樣品還存在其他能量位置更深的缺陷，或者是樣品中缺陷訊號無法在這個掃動 速度下被完全掃出，那我們就無法得到完整的缺陷訊號，所以在擬合值的判讀上 我們就會出現誤判。
4-4 CV 分析
藉由 CV 電容電壓量測，我們可以得知在電性上隨偏壓改變 2.34 ML 樣品在 各個偏壓下的電容變化，藉由其電容的變化，我們得以知道該樣品的量子點偏壓 位置，甚至是受缺陷因素影響而使電容值變化的偏壓位置，進而再經由 CV 圖轉 縱深圖得到各空乏區位置下對應的載子濃度圖。
圖 4-6 為 2.34 ML 樣品在未照光 dark 情況下 ，由低溫 78 K 到高溫 360 K 的 變溫圖，由圖上可以明顯的看出低溫下電壓掃動來到-2 V 時，電容值開始出現平 台，平台出現代表著此時量子點位置開始有載子被空乏區空乏掉，也就是偏壓位 置來到量子點區域，直到約-4 V 時平台位置才消失。
而樣品在低溫到高溫過程中約有 200 (pF)電容值抬升的溫度響應，代表著溫 度升高後樣品中有大量的載子跑出來貢獻在電容值上；接著我們將變溫 CV 圖轉 換成變溫的縱深圖，如圖 4-7 所示，縱深圖上有兩群訊號，一群位置約在空乏區 深度 0.24 (µm)處，另一群位置約在空乏區深度 0.14 (µm)處；將這兩個空乏區位 置對應到 CV 偏壓位置上，我們可以發現空乏區深度 0.24 (µm)這群對應到量子 點偏壓位置，並且其濃度大小隨溫度升高有逐漸下降的趨勢，符合量子點在高溫 下載子侷限能力差，載子漏掉的條件，所以其訊號為量子點所貢獻；而空乏區深 度 0.14 (µm)的訊號對應到 CV 圖上偏壓位置是在量子點前面，位在樣品表面到
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量子點之間，由上一小節 DLTS 上訊號出現的偏壓位置我們知道在表面到量子點 之間存在缺陷訊號，所以我們合理的猜測縱深圖上該訊號是由缺陷中的載子所貢 獻，並且其濃度大小隨溫度升高逐漸變大，符合缺陷在低溫下完全抓住載子，隨 著高溫後，載子越來越容易從缺陷中跳出，因而貢獻在濃度上，簡單示意圖如圖 4-8 所示。
20 MA045 (2.34 ML)
Laser 532 nm (2.33 eV) Power = 10 mW
圖 4-2 2.34ML 樣品激發光源 2.33 eV 變溫度 PL 光譜圖
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圖 4-3 2.34 ML 樣品低溫 50 K 能帶示意圖
圖 4-4(a) 2.34 ML 樣品固定偏壓與 filling pulse 下變 rate window 圖
50 100 150 200 250 300 350 400
-15 -10 -5 0 5 10 15
C (pF)
Temperature (K) 430 ms
215 ms 86 ms 43 ms MA045(2.34 ML) -0V~ -0.5V
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2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 3.1 3.2 3.3 8.5
9.0 9.5 10.0 10.5 11.0
ln (T2 sK2
1000/T(1/K)
0~ -0.5 V -0.5 V~ -1 V -1 V~ -1.5 V -1.5 V~ -2 V -2 V~ -2.5 V -2.5 V~ -3 V
MA045(2.34 ML)
Arrhenius plot
圖 4-5 2.34 ML 樣品不同偏壓下阿瑞尼示圖
2.34 ML
Ea (eV) σ(cm2)0 V / -0.5 V 0.401 6.775×10-19 -0.5 V / -1 V 1.327 4.26×10-6 -1 V / -1.5 V 1.751 1.132 -1.5 V / -2 V 1.913 122.3 -2 V / -2.5 V 1.583 2.54×10-3 -2.5 V / -3 V 0.628 2.42×10-16
表 4-1 2.34 ML 樣品不同偏壓下之活化能與捕捉截面積
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MA045 (2.34 ML) f= 100 kHz Dark
Capacitance (pF)
Bias (V)
圖 4-6 2.34 ML 樣品 dark 隨溫度變化 CV 量測圖
0.33 0.30 0.27 0.24 0.21 0.18 0.15 0.12 0.09 1E16 MA045 (2.34 ML) f= 100 kHz Dark
N(cm-3 )
X(m)
圖 4-7 2.34 ML 樣品 dark 隨溫度變化縱深圖
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圖 4-8 2.34 ML 樣品 dark 隨溫度變化載子邀遷示意圖
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