第四章 GaAsN 量子井光激發載子的來源與機制
4.2 GaAsN 量子井的光電容機制
在上一節中，我們對不同厚度的量子井樣品作光電容的量測，發現 250Å 不 同於 60Å 和 120Å ，其發生光電容的光激發能量始於 1.2eV。然而，由 250Å 經過 熱退火處理的樣品得知，光電容的來源為樣品中的 VGa 缺陷。既然如此，為何 250Å 的光電容抬升位置不是在 1.3eV 呢？在此節，我們針對 250Å 這片樣品作 更深入的探討。
圖[4.4]為 250Å 在低溫(30K 至 120K)的 PL 圖。由圖中可觀察到，其量子井 的發光波長為 1.21eV，正好接近其發生光電容的光激發能量 1.2eV，這一結果顯 示：雖然光電容的來源為樣品中的 VGa缺陷，但在 250Å 這片樣品中，量子井也 和光電容存在某種關係。為了區別出量子井與缺陷對光電容的貢獻，我們拿 1.16eV 的 LED 當激發光源作光激發 C-V 量測。圖[4.5] 是 250Å as grown 在低溫 80K 時的 PL 圖與 1.16eV 的 LED 波長分布比較。由圖中可看出，1.16eV 的 LED 燈波長分布涵蓋了大部分的量子井 PL 訊號，且低於 1.3eV，如此一來，便能做 僅激發量子井發光能隙的電性量測。圖[4.6(a)]及圖[4.6(b)]為 78K 時，250Å as grown 樣品用 1.16eV 作激發光源的 C-V 量測及縱深分布圖的結果。由圖中可觀 察到，當激發光源的功率達到 0.3mW(驅動 LED 的電流=2.6mA)時，C-V 的量子 井平台已明顯飽和；縱深分布圖也顯示，當激發光源的功率大於 0.3mW 以上，
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載子侷限的濃度已達定值，改變的只是載子侷限的空間位置。關於縱深分布圖上 載子侷限位置的移動，留待之後討論，我們現在著重於量子井中載子濃度變高的 議題上。既然 1.16eV 的激發光源能夠使得量子井中的載子濃度增加，我們更進 一步利用不同的量測速率作 C-V 量測。圖[4.7(a)]及圖[4.7(b)]為激發光源為 0.3mW(驅動 LED 的電流=2.6mA)時，不同量測速率的 C-V 圖及縱深分布圖：可 觀察到，若量測的速率越快，受調變的載子越少─這是缺陷的一項重要特徵。此 一量測結果更加證實了 250Å 的量子井結構確實與光電容的來源─缺陷間存在強 烈的交互作用。此一特殊現象，我們利用圖[4.8]的能帶示意圖來解釋。圖[4.8(a)]
為未照光時的能帶圖，由第三章的討論已知，250Å 的量子井結構由於太厚，其 量子侷限的能階幾乎在 GaAsN 的導帶上，所以此時的量子井可以說是沒有侷限 任何載子。然而，當此樣品受到光激發時，會將 VGa缺陷中的電子激發到量子井 中，留下正電荷在缺陷，如圖[4.8(b)]。由於費米能階還未調變到量子井中的載子，
僅調變到 GaAs 內的自由電子，因此 C-V 曲線的前段幾乎重合。隨著外加逆向偏 壓的增加，當費米能階調變到量子井中的載子時，量子井平台開始出現，如圖 [4.8(c)]。因為缺陷中的電子躍遷所需的時間較長，甚至接近 C-V 量測的速率，
這也能夠解釋為何 C-V 量測的越快，量子井平台越不明顯。
1.16eV 的 LED 光源只能激發缺陷中的電子到量子井中，若是用更高能量的 激發光源會發生甚麼事呢？接下來，我們用 1.32eV 的 LED 光源作光激發的 C-V 量測。圖[4.9] 是 250Å as grown 在低溫 80K 時的 PL 圖與 1.32eV 的 LED 波長分 布比較。由圖中可看出，1.32eV 的 LED 波長不僅涵蓋了量子井的發光波長，也 包含了可激發 VGa缺陷中的電子至 GaAs 導帶上的能量 1.3eV。圖[4.10(a)]及圖 [4.10(b)]為 250Å as grown 的 1.32eV 光激發 C-V 圖與縱深分布圖。由圖中可觀察 到，當驅動 LED 的電流達到 0.2mA 後，量子井的平台長度已不再隨 LED 的功 率而增加，意即量子井中的電子已達飽和；然而，由縱深分布圖發現，與圖[4.6(b)]
(1.16eV 的激發光源)明顯不同的是，隨著激發光源功率的增加，其侷限載子的空
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間位置一直往樣品表面靠近。我們利用第三章推測的模型來解釋這一特殊現象。
圖[4.11(a)] 為 250Å as grown 照小功率的 1.32eV 激發光時的能帶圖，此時的費米 能階還未調變到量子井中的載子；隨著逆向偏壓的增加，費米能階將會調變到量 子井中的電子，於是 C-V 的量子平台便會產生，如圖[4.6(a)]。然而，量子井中 的狀態密度是有限的，當量子井中各能態位階都被電子佔據時，量子井的侷限能 力就會達到飽和，而平台長度也達到了最大值。當 LED 的功率繼續加大時，由 缺陷產生的電子已經無法再繼續填入量子井中，便會填入 Top n-GaAs 層中，使 得量子井前的空乏區縮短，產生中性區；在定偏壓下，量子井後方的能帶便會傾 斜形成多於的正電荷以維持電場平衡，因此費米能階便會提早調變到量子井中的 電子，使得 C-V 平台提早出現，而縱深分布圖中載子侷限的位置變會一直往樣 品表面靠近，如圖[4.11(b)]。
在上節的第一段有提到，250Å 不同於 60Å 及 120Å ，其發生光電容的位置始 於 1.2eV，也就是量子井的發光波長。造成此差異的原因為，250Å 的量子井結 構太厚，其量子能階幾乎在 GaAsN 導帶底部，因此在未照光時，量子井中幾乎 沒有侷限任何電子，光激發電子才有機會躍遷至量子井中；至於 60Å 及 120Å 的 量子井因為在未照光時已侷限了許多電子，因此光激發電子便無法填入量子井 中。
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圖[4.1] 照光時的 C-V 圖形 C
圖[4.2(a)] 60Å 在不同偏壓下的光電容 C
0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 -20
0 20 40 60 80 100
C(pF)
Energy(eV)
60A(1.8%) as grown f=100kHz ; T=78K Bias(V)
-1 -2 -3 -4 -5
30
120A(1.8%) as grown f=500kHz ; T=78K
35 250A(1.8%) as grown f=500kHz ; T=78K
31
400 250A(1.8%) as grown_LED=1.32eV T=120K ; f=500kHz
Dark
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33
250A(1.8%) as grown_LED=1.16eV T=77K ; f=500kHz
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圖[4.6(b)] 250Å as grown 的 1.16eV 照光縱深分布圖
圖[4.7(a)] 250Å as grown 改變量測速率的照光 C-V 圖
0.85 0.80 0.75 0.70 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 1E16
1E17 1E18
250A(1.8%) as grown_LED=1.16eV T=77K ; f=500kHz
250A(1.8%) as grown
LED=1.16eV ; Power=0.3mW(2.6mA) T=77K ; f=500kHz
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圖[4.7(b)] 250Å as grown 改變量測速率的照光縱深分布圖
圖[4.8(a)] 250Å as grown 未照光時的能帶圖
0.75 0.70 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40
1E16 1E17
250A(1.8%) as grown
LED=1.16eV ; Power=0.3mW(2.6mA) T=77K ; f=500kHz
sweeping rate 1 2 4 8
N d(cm-3 )
Depth(m)
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圖[4.8(b)] 250Å as grown 照光時的能帶圖(還未調變到 QW 中的載子)
圖[4.8(c)] 250Å as grown 照光時的能帶圖(已調變到 QW 中的載子)
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400 250A(1.8%) as grown_LED=1.32eV T=120K ; f=500kHz
Dark
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圖[4.11(a)] 250Å as grown 照小功率的光時的能帶圖(還未調變到 QW 中的載子) 圖[4.10(b)] 250Å as grown 的 1.32V 照光縱深分布圖
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3
1E15 1E16 1E17 1E18
N d(cm-3 )
Depth(m)
250A(T=120K) f=500kHz
Dark 0.1mA 0.2mA 1mA 2.6mA 9.6mA
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圖[4.11(b)] 250Å as grown 照大功率的光時的能帶圖(提早調變到 QW 中的載子)
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第五章
總結
本篇論文主要講述的內容為 GaAsN 量子井結構中的載子分布變化及特性。
其分為兩個部份討論：未照光及照光後(受光激發)的 C-V 圖形。首先，我們對 60Å 、120Å 、250Å 三片不同厚度的 GaAsN 量子井樣品做了未照光時的 C-V 量 測。由量測結果發現 120Å 的量子井平台會隨著樣品溫度的升高而往小偏壓做移 動。於是我們對此樣品做了 DLTS 量測，並算出其缺陷訊號的活化能(activation energy)和捕捉截面積(capture cross section)，結果顯示在樣品表面附近存在許多自 生載子中心(generation center)。由於自生載子中心隨著溫度的升高會產生電子電 洞對，產生的電子會與量子井前的 Nd中和，產生中性區，使得量子井前的空乏 區縮短；為了達成電場平衡，量子井後的能帶便會傾斜而使得費米能階提早調變 到量子井中受侷限的載子，因此 C-V 量子井平台便會提早出現。瞭解了量子井 平台往小偏壓移動的原因後，我們便開始做光激發的電性量測。照光時的電容值 會比未照光時大，此即光電容。為了確認光電容的來源是缺陷或量子井本身，我 們將缺陷最多的樣品(250Å )作快速熱退火(rapid thermal annealing=RTA)處理，目 的在於將樣品中的缺陷消除。用 1.32eV 的 LED 光源對 250Å as grown、RTA600、
RTA700 作光激發的 C-V 量測，結果顯示樣品中的 VGa缺陷越少，光電容越小。
也就是說，光電容的來源為樣品中的 VGa缺陷。激發 VGa缺陷中的電子至 GaAs 導帶上所需的能量需大於 1.3eV，然而，250Å 的光電容發生於激發光源 1.2eV，
而此能量正巧與量子井的 PL 發光訊號十分接近。於是，為了區分出量子井及缺 陷貢獻的光電容如何影響量子結構中的載子分布，我們分別用 1.16eV 及 1.32eV 的 LED 作激發光源量測 C-V。結果顯示，其中最大的不同為，同時能激發量子 井發光能隙及 VGa缺陷的 1.32eV 在大功率的情況下，其量子井中各能量位階已
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被電子所佔據而達飽和，此時更多的電子會中和量子井前的 Top n-GaAs，使得 中性區拉長，因此費米能階能夠提早調變到量子井中的電子。另外，造成 250Å 量子井能填入光激發電子的因素為，250Å 的量子井結構太厚，其量子能階幾乎 在 GaAsN 導帶底部，因此在未照光時，量子井中幾乎沒有侷限任何電子，光激 發電子才有機會躍遷至量子井中。
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