圖 4-8 ZnO 於溫度 25K 量測之 PL 光譜圖
圖 4-8 為 ZnO 於溫度 25K 量測之 PL 光譜圖。縱軸為歸一化後的 PL 強度，
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橫軸為光子能量，黑色線為原始的 PL 光譜，紅色虛線為 Gauss 函數擬合曲線。
圖中可觀察到有四個發光峰值，由 Gauss 函數擬合之後高能量的兩個發光帶之能 量峰值分別為 3.358 eV 與 3.316 eV，由文獻[18][19]知道此兩個高能量發光帶分別 為中性施子束縛激子之躍遷(DoX)以及底層造成的之差排的躍遷(BSF)；而後兩個 低能量發光帶因其能量峰值與 BSF 之差值大約為 72 以及 144 meV，可知道其發 光來源為底層造成的之差排中的電子-電洞對失去一個聲子的躍遷(BSF-1LO)及 失去兩個聲子的躍遷(BSF-2LO)，此兩個峰值能量分別為 3.253 eV 以及 3.179 eV。
因此從 ZnO 於溫度 25K 量測之 PL 光譜圖可知在低溫時 ZnO 的主要發光為 DoX(3.358 eV)及 BSF(3.316 eV)。
圖 4-9 Zn1-x
Mg
xO(0.03<x<0.13) 於溫度 25 K 量測之 PL 光譜圖
圖 4-9 為 Zn1-xMgxO(0.03<x<0.13)於溫度 25 K 量測之 PL 光譜圖。縱軸為歸 一化後的 PL 強度，橫軸為光子能量，濃度 0.03<x<0.13，黑色線為原始的 PL 光 譜，紅色虛線為 Gauss 函數擬合曲線，紅、藍、綠三實線為各自發光帶之 Gauss
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函數擬合曲線。圖中各濃度樣品皆出現三個發光帶，在 x=0.03 時峰值能量由高 到低分別為 3.414、3.373 以及 3.311 eV； x=0.08 時峰值能量為 3.504、3.459 以 及 3.395 eV；x=0.13 時峰值能量為 3.588、3.541 以及 3.479 eV。其中峰值能量最 高之發光帶(綠色曲線)的發光原由為侷域激子的躍遷。而峰值能量第二高之發光 帶(紅色曲線)的發光原因可由以下分析得知。
圖 4-10 Zn1-x
Mg
xO(0.03<x<0.13)之峰值差值趨勢圖
圖 4-10 為圖 4-9 中綠色與紅色發光帶之峰值差趨勢圖。縱軸為光子能量，
橫軸為 Mg 濃度。鎂濃度 x=0.03 時峰值差為 41 meV；x=0.08 時峰值差為 45 meV；
x=0.13 時峰值差為 47 meV。此結果與 Wan-Hsien Lin 研究團隊[19]觀察的結果相 似，如圖 4-11 所示。
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圖 4-11 文獻[19]中 Zn1-x
Mg
xO(0≤x≤0.1)薄膜高低發光帶峰值差趨勢圖
圖 4-11 為文獻[19]中 Zn1-xMgxO(0≤x≤0.1)薄膜的高低發光帶峰值差趨勢圖。文獻中，作者以 MOCVD 製作 Zn1-xMgxO(0≤x≤0.1)薄膜，在溫度 7K 下量測樣品 之 CL(Cathodoluminescence)光譜後得出圖中之數據。圖中縱軸為能量(eV)，橫軸 為 Mg 濃度，藍色空心圓為能隙邊緣之之能量峰值 (near-bandgap edge emission, ENBE)，紅色空心方形為 BSF 躍遷之能量峰值(EBSF)。其中文獻中之 NBE 與本次 實驗中的 LX 相同(x=0 時為 DoX)，因為文獻中 ENBE與 EBSF的差值皆在 40~50 meV 之間，與本次實驗中 Zn1-xMgxO(0.03<x<0.13)發光峰值最高與第二高之能量差距 相同，因此可判斷圖 4-9 中兩個高能量發光分別為 LX 及 BSF。而在圖 4-9 中呈 現的各濃度 Zn1-xMgxO 薄膜之 PL 光譜中，最低之發光帶(藍色)因與 BSF 躍遷之 峰值差約 70 meV，因此可知最低能量發光帶之發光原因為 BSF-LO。而從 LX 發 光峰值的趨勢來看，當摻雜濃度從 x=0.03 上升到 x=0.13 時，能量峰值也跟著提 高(x=0.03 的 3.414 eV 上升至 x=0.13 的 3.588 eV)，表示能隙有隨著 Mg 的摻雜而 藍移，與理論上的趨勢相同。
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圖 4-12 Zn0.82
Mg
0.18O 於 25 K 量測之 PL 光譜圖
圖 4-12 為 Zn0.82Mg0.18O 於 25 K 量測之 PL 光譜圖。縱軸為歸一化後的 PL 強度，橫軸為光子能量，黑色線為原始 PL 光譜，紅色虛線為 Gauss 函數擬合曲 藍、綠實線為各自發光帶之 Gauss 函數擬合曲線。由於摻雜高濃度，造成樣品濃 度不均勻、光譜圖形變寬，且以 Gauss 函數擬合無法擬合出單一的 LX 與 BSF 之發光帶，所以我們推測圖中至少出現兩個 LX 的發光帶，也就是有兩個 LX 與 BSF，如圖 4-12 所示。利用前述相同的方法判斷(LX 與 BSF 的差值大約 40 ~ 50 meV)可得知最高能量發光峰值為 LX1 於 3.66 eV；第二高能量發光峰值為 BSF1 於 3.612 eV；第三高能量發光峰值為 LX2 於 3.556 eV；最低能量發光峰值為 BSF2 於 3.51 eV。此現象可由 FWHM 值之探討，再次驗證。
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圖 4-13 Zn1-x
Mg
xO(x = 0.23 ~ 0.28)於 25K 量測之 PL 光譜圖
圖 4-13 為 Zn1-xMgxO(x = 0.23 ~ 0.28)於 25K 量測之 PL 光譜圖。縱軸為歸一 化後的 PL 強度，橫軸為光子能量，黑色線為原始 PL 光譜，紅色虛線為 Gauss 函數擬合後的 PL 曲線，紅、藍、綠三實線為 Gauss 函數擬合發光帶各別對應之 實線。其中可擬合出三個發光帶，分別是 LX、BSF、以及 BSF-LO。在 x>0.18 的時候，已經超過溶解度之極限，能隙紅移，因此這時僅能推測圖中主要有兩個 發光帶，分別為高能量的 LX 發光帶以及低能量的 BSF 發光帶，可由 4-2-2 章節 圖 4-15 中的變溫光譜驗證。其中兩濃度薄膜 LX 發光帶能量峰值分別在 3.525 以 及 3.536 eV，與 x=0.18 相比有紅移的現象，表示在 x>0.18 後已經無法摻雜更多 Mg 原子，而兩濃度薄膜之峰值能量相近則表示在超過摻雜極限濃度下樣品的能 隙將會紅移到一個數值，其原因將於後方討論。為了解高濃度的樣品在低溫下的 發光原因是否與低濃度相同，所以量測低濃度(x=0.03)與高濃度(x=0.23)樣品之變 溫 PL 光譜，如圖 4-14 與 4-15 所示。
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圖 4-14 Zn0.97
Mg
0.03O 之變溫 PL 光譜圖
圖 4-14 為 Zn0.97Mg0.03O 之變溫 PL 圖。縱軸為歸一化後的 PL 強度，橫軸為光 子能量，紅色線為 PL 變溫光譜，溫度由 25K 上升至 120K，藍色與綠色虛線箭 頭分別表示 LX 及 BSF 的發光能量峰值變化。可觀察到主要有兩個發光，高能 量為 LX，峰值隨著溫度升高有紅移的現象，這是因為在升溫後環境給予晶體熱 能使其晶格變長以及電子-聲子交互作用使能隙降低所導致，而強度隨著溫度升 高急遽變弱，因為在升溫後原本在侷限態的激子得到熱能躍遷至自由態後與非輻 射中心結合所導致。低能量為 BSF，隨著溫度升高能量僅些微紅移，強度亦只有 少許變弱，原因是 BSF 於導帶中之能階比侷域激子要低，其中的電子無法輕易 躍遷至自由態與非輻射中心結合，所以在溫度達到 120K 時也無法觀察到 BSF 強 度有明顯的變化。
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圖 4-15 Zn0.77
Mg
0.23O 之變溫 PL 光譜圖
圖 4-15 為 Zn0.77Mg0.23O 之變溫 PL 圖。縱軸為歸一化後的 PL 強度，橫軸為光子 能量，紅色線為 PL 變溫光譜，溫度由 25K 上升至 120K，藍色與綠色虛線箭頭 分別表示 LX 及 BSF 的發光能量峰值變化。圖中可見大概有兩個重疊的發光帶，
高能量發光峰值隨著溫度升高而紅移，強度變弱；而低能量發光峰值及強度隨著 溫度升高並沒有明顯的變化。因與 Zn0.97Mg0.03O 量測之結果相似，由此可判斷，
這兩個發光帶之源由，可歸納為 LX 與 BSF 之躍遷。綜合圖 4-14 以及圖 4-15 之結果，超過摻雜極限濃度(x=0.23)樣品隨著溫度上升高低能量峰值變化的趨勢 與低濃度(x=0.03)樣品相同，所以推測各濃度 Zn1-xMgxO 薄膜樣品的低溫 PL 光譜 中高能量峰值皆為 LX，低能量峰值皆為 BSF，且在溫度上升後之 PL 峰值能量
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與 BSF 有密切的關聯。在分析完低溫穿透光譜以及 PL 光譜之後，先綜合兩者結 果分析樣品是否有相同之趨勢，如圖 4-16 及 4-17。