EL2 缺陷對於InAs/GaAs 量子點的電子放射特性分析:照光的影響

全文

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電子物理學系

EL2 缺陷對於 InAs/GaAs 量子點的電子放射

特性分析:照光的影響

Role of EL2 on the electrical properties of InAs/GaAs quantum dots:

the influence of illumination

研 究 生:紀亞青

指導教授:陳振芳 博士

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EL2 缺陷對於 InAs/GaAs 量子點的電子放射

特性分析:照光的影響

Role of EL2 on the electrical properties of InAs/GaAs quantum dots:

the influence of illumination

研 究 生:紀亞青 Student:Ya-Ching Chi

指導教授:陳振芳 博士 Advisor:Dr. Jenn-Fang Chen

國 立 交 通 大 學

電子物理學系

碩 士 論 文

A Thesis

Submitted to the Institute of Electrophysics College of Science

National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Master of Science

in Electrophysics

July 2012

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

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EL2 缺陷對於 InAs/GaAs 量子點的電子放射

特性分析:照光的影響

研究生:紀亞青 指導教授:陳振芳 博士

國立交通大學電子物理學系

摘 要

本論文主要探討含有 EL2 缺陷能階之分子束磊晶成長厚度 2.2 ML InAs/GaAs 單 一量子點,藉由有無照射光源下瞭解 EL2 缺陷對於其電子放射特性的影響。首先, 利用電容電壓(C-V)、深層能階暫態頻譜(DLTS)和光激發螢光頻譜(PL)分析探討其基 本光電特性,並藉由 C-V 與暫態電容頻譜(C-t)分析中觀察到缺陷訊號的電容值貢獻。 此缺陷訊號受熱激發主導,在高溫時電子躍遷速率變快,使直流偏壓掃過時能貢獻 於電容值。進一步以 DLTS 量測確認此為低溫成長 GaAs 時易形成的 EL2 缺陷,接 著針對 DLTS 分析之缺陷訊號,估算出局部侷限能階缺陷濃度,其濃度值相當高接 近於長晶時摻雜之背景濃度。再來,藉由照光能量 0.8 eV 激發 EL2 缺陷能階,觀察 到大量電容值抬升,並引入光強度及光激發之捕捉截面積,說明照光對於缺陷能階 及量子點能態的影響,其與電子躍遷速率成正比。另外,也從載子濃度分佈中觀察 出量子點能態受照光影響,電子佔據機率改變的現象。除此之外,從照光的 DLTS 量測中可直接觀察到載子速率變快的情形。最後,利用照光光源能量的不同(0.7 eV ~ 1.56 eV),藉此了解光電容、光電流和輻射復合三者的關係,並加入 rate equation 作 進一步描述。

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II

Role of EL2 on the electrical properties of InAs/GaAs quantum dots:

the influence of illumination

Student: Ya-Ching Chi Advisor: Dr. Jenn-Fang Chen

Department of Electrophysics

National Chiao Tung University

Abstract

The electron emission properties of the EL2 defect state with (without) illumination in 2.2-ML(monolayer) InAs self-assembled quantum dots (QDs) containing an EL2 defect state is presented. Initially, the defect state is observed at the temperature dependence capacitance-voltage (C-V) profiling, leading to the faster electron emission rate with temperature increasing. The source of the EL2 defect state is studied by deep-level transient spectroscopy (DLTS) measurements. Moreover, we calculate the concentration of the EL2 defect state, which is compared with the doping background concentration of top GaAs layer.

Under an energy illumination of 0.8 eV, the large capacitance produces, suggesting the electron emission rate of the EL2 defect state increasing. An expression of electron emission rate is dependent with the intensity of the excited light source and optical cross section. Furthermore, the electron occupancy probability is changed upon illumination. The DLTS measurement under illumination also shows the electron emission rate increasing. Finally, the electron-hole pairs produce in the QDs and defect states under illumination energy of 0.7-1.56 eV can explain the relationship between photocapacitance,

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photocurrent, and carrier radiative recombination. Furthermore, a simple rate equation can describe this phenomenon.

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IV

致謝

兩年,我畢業了。這一路的求學歷程及人生的逗點,非常感謝相伴的家人朋友, 無可言喻的感動,以這篇感謝回饋給你們。 我的指導老師 陳振芳老師,感謝您這兩年的引領指導,給予在研究中最大的支 持與溝通,每每的討論中總是在重要的關頭指點我們所遇到的困難,從老師身上學 習到對於研究無比的熱誠及堅持,了解對於研究應有的態度及專精。大學期間的專 題老師 余昌峰老師,對於在懵懂迷惘的未來時,非常慶幸自己能進入 308 Lab,在 開心的實作與討論的氛圍中,解開我對於無知未來的結。感謝 廖文毅老師帶領我進 入物理科學,很懷念大家一起同聚在討論間,天南地北的談論自己的想法。 最重要的兩年回憶,博班學長們與我的好同學。感謝政鴻學長永遠都不嫌我煩, 在每次的研究討論中都很有耐心,換了無數種講解方式讓我理解。孟謙學長的刀子 嘴豆腐心,相信大家都很能感受到此對於實驗室大小事的關心是我們好。感謝家峰 學長在繁瑣的實驗事務中如此辛勞。感謝振豪學長在我們碩一時給予我們生活與研 究上的關懷。俞授學長、建至學長所提供的實驗寶貴建議,對於研究上很受用。學 長姐妍君、紀瑩、茂益、彥寧,感謝你們在我進入實驗室時大小事的叮嚀與關心。 我的好同學,國豪、俊泓,謝謝國豪這兩年的陪伴和每次的鬥嘴,謝謝俊泓的貼心 與逗人開心的笑話。陪伴我六年的珮晴、蓉霏,最懷念我們碩一住一起煮東西的時 光。學弟們哲倫、家偉、敬恩,感謝你們處理實驗室的事務,祝福你們研究順心。 這一路的求學歷程,最辛苦的是我的家人,感謝爸爸媽媽的包容及無條件的支 持。從小到大的陪伴與鼓勵,非常非常的感恩。終於,我畢業了,可以暫時放下一 點點擔心。謝謝您們! 亞青 於新竹交大 2012.08.06

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目錄

中文摘要 ... I 英文摘要 ... II 致謝 ... IV 目錄 ... V 圖目錄 ...VII 表目錄 ... IX 第 1 章 緒論 ... 1 1-1 量子點材料簡介 ... 1 1-2 研究動機 ... 2 1-3 論文架構 ... 3 第 2 章 實驗樣品製備與量測系統簡介 ... 4 2-1 InAs/GaAs 量子點磊晶樣品之製備 ... 4 2-2 蕭基接面及歐姆接面之電極製作 ... 4 2-3 量測系統簡介 ... 6 2-3-1 光激發螢光量測系統 (Photoluminescence, PL) ... 6

2-3-2 電容電壓量測 (Capacitance – voltage measurement, C-V) ... 7

2-3-3 電流電壓量測 (Current – voltage measurement, I-V) ... 8

2-3-4 暫態電容量測 (Transient measurement, C-t) ... 8

2-3-5 深層能階暫態頻譜量測(Deep level transient spectroscopy, DLTS) ... 9

2-3-6 光激發電性量測系統 ... 10

第 3 章 InAs/ GaAs 量子點的光電特性 ... 13

3-1 InAs/GaAs 量子點光性分析 ... 13

3-2 確立 EL2 缺陷存在於 InAs/GaAs 量子點中 ... 13

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VI 3-2-2 變溫 C-V 分析 ... 14 3-2-3 C-t 分析... 16 3-2-4 DLTS 分析 ... 16 3-3 缺陷濃度與缺陷存在位置估計 ... 17 3-3-1 缺陷濃度估計 ... 17 3-3-2 缺陷存在位置估計 ... 19 第 4 章 EL2 缺陷能階受照光之影響 ... 30 4-1 照射光源對於 EL2 缺陷之影響 ... 30 4-2 照射光源對於量子點之影響 ... 33 4-2-1 量子點佔據機率改變 ... 33 4-2-2 空乏區位置誤判 ... 34 4-3 照射光源下之變溫 C-V 分析 ... 35 第 5 章 光激發電性量測 ... 47 5-1 光激發電性量測原理 ... 47 5-2 Photocurrent 分析 ... 48 5-3 Photocapacitance 分析 ... 49 第 6 章 結論 ... 58 參考文獻 ... 60

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圖目錄

圖 2-1 樣品結構及所對應之能帶圖 ... 11 圖 2-2 光激發螢光量測系統(PL) ... 12 圖 2-3 光激發量測架構 ... 12 圖 3-1 InAs 量子點隨溫度變化關係之 PL 光譜圖 ... 20 圖 3-2 各溫度下變頻率 C-V 圖 ... 21 圖 3-3 定量測頻率 200 kHz 之變溫 C-V 圖 ... 22 圖 3-4 定量測頻率 200 kHz 之變溫縱深分佈圖 ... 22 圖 3-5 缺陷訊號受直流偏壓影響載子躍遷的能帶圖 ... 23 圖 3-6 量測 C-t 分析之外加偏壓與時間關係示意圖 ... 24 圖 3-7 溫度 300K 之量測頻率 1 MHz C-t 圖 ... 24 圖 3-8 各偏壓下載子放射之 DLTS 量測 ... 25 圖 3-9 各偏壓下之阿瑞尼士圖 ... 26 圖 3-10 缺陷活化能與 PL 發光能量位置之能帶圖 ... 27 圖 3-11 DLTS 觀點之缺陷濃度估計示意圖 ... 27 圖 3-12 C-V 觀點之缺陷濃度估計示意圖 ... 28 圖 3-13 缺陷濃度與缺陷位置估計關係圖 ... 29 圖 4-1 改變照光功率下之 C-V 變溫圖 ... 37 圖 4-2 77 K 下變光源功率之 C-V 關係圖 ... 37 圖 4-3 照光 C-V 量測類似於 DLTS 量測之能帶示意圖 ... 38 圖 4-4 EL2 缺陷能階載子躍遷示意圖 ... 39 圖 4-5 受照光影響之阿瑞尼士圖示意圖 ... 39 圖 4-6 照光 DLTS 量測 ... 40 圖 4-7 Nt + 與時間變化量之關係圖 ... 41 圖 4-8 各光源功率下 Nt + /Nd之數據 ... 41

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VIII 圖 4-9 載子受照光之影響躍遷示意圖 ... 42 圖 4-10 77 K 下變光源功率之縱深分佈圖 ... 42 圖 4-11 量子點能態訊號受照光影響其電子佔據機率改變之示意圖 ... 43 圖 4-12 量子點能階載子躍遷示意圖 ... 43 圖 4-13 加入 dQGaAs之能帶示意圖 ... 44 圖 4-14 照射光源下之變溫 C-V 圖 ... 45 圖 4-15 照射光源下之變溫縱深分佈圖 ... 46 圖 4-16 濃度訊號積分與溫度之關係圖 ... 46 圖 5-1 光激發電性量測原理 ... 50 圖 5-2 變溫之光電流分析 ... 52 圖 5-3 變溫之光電容分析 ... 55 圖 5-4 GaAs 塊材光電流與光電容分析[35] ... 56 圖 5-5 光電容訊號與 PL 訊號比較圖 ... 56 圖 5-6 變溫之光電容分析比較 ... 57

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表目錄

表 3-1 各偏壓下之缺陷的活化能以及捕獲截面積 ... 26 表 3-2 缺陷存在位置(Ltrap)估計 ... 29

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第1章 緒論

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量子點材料簡介

量子點(quantum dot)是所謂的「零維」結構,因內部電子在三維方向的位能均被 束縛住,所以擁有顯著的量子侷限效應(quantum confinement effect),此侷限效應造 成能量的量子化,因此顯示出一個類似原子,具有電子能階不連續的特性。基於量 子點能帶結構上的特殊性與在半導體技術方面的貢獻,吸引許多團隊對於其在理論 及實驗上的研究興趣,例如以 In(Ga)As 為量子點材料,延長量子點的放射波長至 1.3mm 甚至到 1.55mm,對於在光纖通訊上以及量子點雷射的發展有很重要的貢獻 [1-3]。另外,在面對現今作資訊儲存時,要求的存取位元量越來越大而封裝的元件 體積則日益縮小,所以量子點資訊儲存的相關研究變成為提供元件開發重要的一環 [4,5]。此外,其他像是量子運算[6,7]、紅外光偵測器[8]等也是量子點重要的應用方 向。

成長量子點的材料,以 II-VI 和 III-V 族半導體為主,例如:In(Ga)As、InP、GaN、 CdSe[9-13]…等,不同材料所成長的量子點特性差異很大。此外,磊晶厚度、成長溫 度、材料間元素的比例等磊晶條件不同,也會造成量子點大小、形狀、密度和光電 特性的差異。目前量子點的長晶方式多是利用應力誘發的原理,主要以分子束磊晶 (Molecular Beam Epitaxy, MBE)與有機金屬氣相磊晶(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)兩種機台為主。在眾多量子點成長方式,最為廣泛使用的方法 為「層接而後島嶼式」(Stranski-Krastanow mode, S-K mode)[14],利用沉積材料與基 板間的晶格常數差異來成長。當沉積材料時在成長幾個單層後,會先成長一層二維 結構,沾濕層(wetting layer),由於材料之間的晶格常數不匹配,影響 wetting layer 的 厚度,當 wetting layer 厚度增加,應力持續堆積,當應力累積到一臨界厚度時,會藉 由形成零維量子點的島狀結構來達到應力釋放的效果,這種由二維轉三維自我聚集 形成的量子點又稱為自聚式量子點(self-assembled QDs)[9,15]。此成長方式的優點:有

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效提供高密度、高均勻度、少缺陷的量子點。以 GaAs 為基板成長 InAs 量子點為例, 利用分子束磊晶機台並以 Stranski-Krastanow mode 方式成長,因 InAs 的晶格常數大 於 GaAs,所以 InAs 成長在 GaAs 材料上時,會因為晶格不匹配產生壓縮應變 (compressive strain),因此在適當的磊晶厚度下,就可以形成三維島嶼式的長晶模式。

1-2

研究動機

早期,量子點的研究大多是針對延長量子點放射波長至 1.3 mm ~1.5 mm,以便於 應用在光通訊上,而提出以 In(Ga)As 等材料作為量子點[2,3],專精於研究其光性特 性。另一大部分研究團隊則是針對量子點的電性特性分析,以了解載子在量子點中 的傳輸機制[16-18]。以文獻[16]為例,Kapteyn 等人提出在 InAs/GaAs 量子點中,電 子躍遷是以兩段式過程作躍遷:首先,以熱能作為能量來源,將電子從量子點基態 (ground state, GS)激發至第一激發態(first excited state, FES),再來藉由穿隧(tunneling) 方式,穿隧至 GaAs 的傳導帶(conduction band , CB)。此研究對於量子點的傳輸機制 貢獻是非常重要的。 近年來,針對量子點具有極佳的量子侷限效應,並將其特點延伸應用在如何儲 存電荷,進而使用在記憶體元件裡。對於現今所追求更高密度、快速的記憶體元件, 以及各元件尺寸的微縮的問題,了解電荷在元件結構中傳輸的路徑,及儲存的方式 便成為重要的課題。為能更進一步了解電荷在量子點結構中的傳輸方式,本論文研 究針對量子點在有無照射光源下的電性量測,包含以電容電壓量測(Capacitance – voltage measurement, C-V)、暫態電容量測(Transient measurement, C-t)、深層能階暫態 頻譜量測(Deep level transient spectroscopy, DLTS),確立在無照射光源下的缺陷發現; 並藉由直接照射光源於樣品上,增加缺陷的躍遷速率。本論文中認為未照射光源量 測時所發現的缺陷訊號,在照射光源下會影響載子訊號出現在電容電壓圖上的位置。 針對這部分的系列研究,會在本論文中作一系統的探討。期望藉由光源控制電子傳 輸機制而更進一步能應用於光電元件上。

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1-3

論文架構

本論文主要是研究成長厚度 2.2 ML(monolayer, ML)的 InAs/GaAs 單一量子點, 利用光性(PL)和電性(C-V、C-t、DLTS 等)量測探討其基本特性,並藉由照射外加光 源配合電性量測來探討電子的躍遷機制。 以下為本論文的章節安排: 第一章 緒論。量子點材料基本介紹,包含成長方式及相關延伸應用,並說明本論文 研究動機與論文架構。 第二章 實驗樣品製備與量測系統簡介。介紹本論文實驗樣品來源與電性量測時所需 的正、負電極之製作;以及介紹實驗分析所需要的儀器設備,包含光性量測: 光激發螢光量測系統,電性量測:電容電壓量測、暫態電容量測、深層能階 暫態頻譜量測設備和光激發電性量測裝置系統。 第三章 InAs/GaAs 量子點的光電特性。藉由基本光電特性分析,確立 EL2 缺陷存在, 並藉由缺陷濃度估算,了解 EL2 缺陷濃度。 第四章 EL2 缺陷能階受照光之影響。選擇光源能量 E = 0.8 eV 以足以激發 EL2 缺陷, 藉由改變光源功率與環境溫度,並作 C-V 電性量測的分析,從中觀察載子訊 號的調變。 第五章 光激發電性量測。改變照光光源能量(0.7 eV ~ 1.56 eV),藉此了解光電容、 光電流和輻射復合三者的關係,並加入 rate equation 作進一步描述。 第六章 結論。

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第2章 實驗樣品製備與量測系統簡介

2-1

InAs/GaAs 量子點磊晶樣品之製備

本論文中使用之樣品為工研院所提供,並以分子束磊晶(Molecular beam epitaxy) 系統所成長。成長於(100)方向的 n+

-GaAs 基板,基板成長溫度固定在 640℃,而量 子點、量子井的長晶溫度則設定為 485℃~500℃。成長步驟如下:

(1) 首先將基板溫度固定在 640℃,並在 GaAs 基板上成長一層 0.3 µm n-GaAs (Si doping:8x1016 cm-3)緩衝層(buffer layer)。

(2) 之後將基板溫度降低至 485℃~500℃,成長 InAs 量子點,厚度為 2.2ML。 (3) 接著再以相同溫度覆蓋一層厚度為 60Å 的 In0.15Ga0.85As 量子井。

(4) 再來中斷成長(Growth interruption, GI)40 秒,同時將基板溫度升回 640℃,最後覆 蓋 0.3 µm n-GaAs (Si doping:8x1016

cm-3)覆蓋層(cap layer)。 本論文成長之樣品結構圖及所對應的能帶圖如圖 2-1 所示。

2-2

蕭基接面及歐姆接面之電極製作

以 MBE 系統所成長的樣品可直接用於光性分析 PL 量測時所需要。而在電性量 測方面則需要製作正負電極,藉由外加逆向偏壓於正負電極上,調變樣品中空乏區 大小,以了解量子點之電性特性。正電極部分,主要利用熱蒸鍍方式以鋁(Al)金屬為 材料製成蕭基接面(Schottky contact)於樣品磊晶面上;負電極部分,以高純度銦球(In ball)作為連接 GaAs 基板背面與佈滿材料銦(In)金屬薄膜的矽基板,使正負電極製作 於同一平面上,方便實驗時三點探針機台的量測。

詳細的蕭基接面的製備過程如下:

(1) 首先為確保蒸鍍完成的蕭基接面有良好的品質,將樣品與蒸鍍金屬 Al 進行清潔。 將其沖泡於去離子水(D.I water)中約 3 分鐘,並配合使用超音波震洗機,以去除 表面的一般雜質。

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5 (2) 接著將樣品浸泡於丙酮溶液(Acetone)中約 3~5 分鐘,除去表面油漬。 (3) 再來利用去離子水沖泡約 3 分鐘,將殘留的 Acetone 去除。 (4) 以 H2O:HCl = 1:1 比例調配將鹽酸稀釋,將樣品置入溶液中 15 秒,去除陽離子及 氧化物。 (5) 以同樣比例稀釋鹽酸將金屬 Al 表面的氧化層去除,使 Al 的表面成為乳白色。 (6) 針對本實驗樣品,為了避免其過大的漏電流在大負偏壓時影響電性量測準確性, 這邊利用稀釋過後的硫酸與過氧化氫混合液,其調配比例為 H2O:H2O2:H2SO4 =10:1:1。將樣品浸泡約 75 秒,蝕刻掉表面的 GaAs 約 90 nm。 (7) 最後以去離子水沖泡約 3 分鐘,去除表面殘留的酸液,並用氮氣將其吹乾。 (8) 將清洗完成的樣品以真空膠帶黏貼於載台上,覆蓋上圓形面積 0.005024 cm2 的 Mask,利用 Mask 決定了蕭基接面的大小。

(9) 置入蒸鍍機內,使用機械幫浦(mechanical pump)粗抽至真空度為 1x10-2 torr 後再 利用擴散幫浦(diffusion pump)將真空度達到 2 ~ 3x10-6 torr 以下,開始以熱蒸鍍的 方式鍍上 Al。 詳細的歐姆接面的製備過程如下: (1) 樣品完成蕭基接面後,再來會在樣品的 GaAs 基板背面點上約 4 個高純度的銦球 (In ball)。 (2) 接著將其送入高溫 330 ℃的爐管裡加熱 3 分鐘,使 In ball 與基板的黏合性增加, 透過電性量測確保 In ball 間的電阻值小於10 Ω,具良好的歐姆特性。 (3) 再將其與一表面有覆蓋一層均勻度很高的熔融狀 In 薄膜之矽基板相連接後即完 成電性量測所需要的樣品製備。

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2-3

量測系統簡介

2-3-1 光激發螢光量測系統 (Photoluminescence, PL)

本論文使用的 PL (Photoluminescence)量測設備由電物所楊賜麟老師實驗室提供, 而 PL 量測是一種非破壞性且可快速得知半導體材料能階結構的一種量測方式,所利 用的原理為對實驗樣品入射一大於或等於其能隙值的短波長雷射光,使價電帶 (valence band, VB)中的電子吸收雷射光的激發能量後被激發至導電帶(conduction band, CB)上,在價電帶上則產生了電洞,形成電子電洞對(electron–hole pair, E-H pair), 而受到庫倫力所吸引的電子電洞對則稱為激子(exciton),激子在經過一段生命週期後 電 子 落 回 價 電 帶 與 電 洞 復 合 , 過 程 中 可 能 是 放 出 光 子 的 輻 射 復 合 (radiative recombination),或是熱輻射、放出聲子等非輻射復合(non-radiative recombination)。 PL 量測系統所包含的儀器設備:

(1) 固態雷射(solid-state laser):為 Excel 公司生產,型號為 LOC-VENTUS 1000 SERIES, 為 CW 雷射,波長 532 nm,最大輸出功率 1.3 mW,雷射穩定度在 1.9%以內,RMS 平均雜訊為 0.7%,驅動電流 6 安培,主要利用此雷射來激發樣品發出螢光訊號。 (2) 衰減濾光片組(Variable Neutral Density Filter):利用衰減片來控制、調整實驗所需

的雷射輸入功率。 (3) 光遮斷器(Optical chopper):目的在於使連續波的雷射形成方波的型式,所使用的 型號為 NEW FOCUS 3501,7/5 孔型式,固定頻率在 500 Hz。 (4) 聚焦透鏡(Focus Lens):利用聚光透鏡將雷射光聚焦在樣品上。 (5) 溫控裝置:主要為了量測低溫與變溫的光學特性而設置,包含真空腔體(chamber)、 降溫用壓縮機(compressor)、機械幫浦(mechanical pump)、冷卻水系統以及溫控器 (temperature controller)。系統的最低溫度約在 10 K,可利用循環氦的壓縮機與溫 控器的加熱器相互配合以控制實驗所需的溫度進行量測。 (6) 高通濾光片(Long-pass filter):雷射光強度遠大於樣品所放射出的螢光,使用 695 nm 的濾光片將雷射光過濾掉,避免其進入光偵測器中干擾實驗結果。

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(7) 分光儀(monochromator):型號為 ARC Spectro-275,聚焦長度為 27.5 cm,內部含 有有三塊光柵,為 600 goove/mm(BLZ=1000 nm),可根據實驗所需的波段範圍來 選擇。

(8) 光偵測器(photodetector):使用 Electro-Optical Systems 公司所生產的砷化銦鎵 (InGaAs)光偵測器,在 300 K 時所適用的波長為 800 nm 到 1800 nm。

(9) 訊號放大器(multi-meter):將光偵測器所接收到的訊號放大。

(10) 鎖相放大器(Lock-in Amplifier):儀器型號為 STANDFORD RESEARCH SYSTEM SR850,目的在量測微小的交流訊號。 PL 量測系統以圖 2-2 表示的方式進行架設,首先將發光波長 532 nm 固態雷射所 發出的雷射光依照實驗的需要,利用不同衰減倍率的衰減片來降低雷射輸出功率。 將雷射光經由光遮斷器調變為方波形式,並將光遮斷器的頻率送至鎖相放大器作為 參考頻率。經過光遮斷器調變的雷射先光透過第一面透鏡後聚焦在樣品上,將樣品 激發而使樣品放出螢光,再經由第二片透鏡將樣品放出的螢光作聚焦並通過一片 695 nm 的高通濾光片將雷射光濾掉(避免雷射光對最終訊號產生干擾)後進入分光儀的狹 縫中進行分光,最後則是將光偵測器所偵測到的螢光訊號傳送至鎖相放大器將與光 遮斷器相同頻率與相位的訊號加以放大,再傳回電腦存檔並讀出光激螢光光譜。

2-3-2 電容電壓量測 (Capacitance – voltage measurement, C-V)

本論文所用到的電容電壓量測系統為 HP4194。在蕭基接面下可以藉由調變其空 乏區,控制樣品的費米能階(Fermi level)去量測樣品所反映出來的電容特性,接下來 的量測都與樣品的電容與導纳值有關。首先,C-V 量測主要是利用外加逆偏壓來空 乏半導體內自由載子,配合交流頻率的調變做電容電導量測,不同直流偏壓下的電 容值可得出各區域的載子濃度變化,再利用縱深分佈圖初步了解樣品是否存在有載 子侷限,或存有大量缺陷空乏大量載子。主要利用到的公式有平行板電容公式(2-1) 與載子濃度隨空間分佈公式(2-2):

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W A C=εε0 (2-1) )/dV] C 1 [d( A q 2 N(W) 2 2 0 εε = (2-2) 其中 W 為空乏區寬度,ε 為半導體材料介電係數(permittivity),A 為樣品的電極面積 (0.005024 cm2),N(W)為空乏區為 W 時的載子濃度。

2-3-3 電流電壓量測 (Current – voltage measurement, I-V)

本論文所用到的電流電壓量測系統為 KEITHLEY 236。當將電性量測所需的電 極利用蒸鍍的方式製備完成後,會初步利用 I-V 量測以了解樣品特性是否良好,以 確保樣品適合後續其他電性發面的量測。主要是利用蕭基接面的電流特性,來擬合 樣品的漏電流(leakage current)、串聯電阻 rs (series resistance) 與理想因子 n (ideal

factor),Schottky 電流公式如下:           = -1 nkT ) Ir -q(V exp I I s s (2-3) 上式中 Is 為逆向飽和電流(saturation current),V 為順向偏壓,k 為波茲曼常數 (Boltzmann’s constant)。

2-3-4 暫態電容量測 (Transient measurement, C-t)

暫態電容量測的原理:利用調變蕭基的空乏區,來控制載子進出缺陷,以量測 缺陷釋放載子或捕捉載子的時間。例如量測缺陷放射載子時: 1. 首先樣品處於一逆向偏壓,建立一段空乏區。 2. 加入一順向脈衝(減小逆向偏壓值),注入載子,空乏區減小,電容變大,載子被 空乏區內的缺陷捕捉住。

(20)

9 及被激發,因此為了維持電中性電場平衡,空乏區會比原先大,電容也因而更小。 4. 足夠時間後,多數載子由於熱激發慢慢被釋放,電容也隨之增加,慢慢飽和呈現 指數變化(point defect 的特性)。 但如果缺陷濃度極高如 dislocation…等,則電容值將不會飽和而 C-t 量測將呈現對數 的圖形。另ㄧ方面量測缺陷捕抓載子時,只需將前面所加的偏壓交換即可。藉由量 測完的圖形則利用下面的公式去擬合缺陷放射與捕捉時間: ) t -exp( A y y 1 1 0 + t = (2-4) 上式中τ1是量測到的時間常數,當缺陷放射載子時 A1<0,反之當其捕抓載子時 A1>0。 當存在不只單一個缺陷被量測到時,可以增加後面的指數項,代表著同時有兩個時 間常數被量測到。暫態電容量測以 HP4194 儀器做量測。

2-3-5 深層能階暫態頻譜量測(Deep level transient spectroscopy,

DLTS)

DLTS 技術在 1974 年首先由貝爾實驗室的 D. V. Lang 在 Journal of Applied Physics 提出[19]。利用週期性變化電壓施加於樣品上,改變樣品空乏區的大小,在連續不斷 的暫態電容量測中,找出隨溫度變化時的最大電容變化值的溫度,來獲得深層缺陷 的資訊[20]。優點:靈敏度高(可到 1010

cm-3之濃度偵測範圍)、能測多數與少數載子、 觀測 defect 能階範圍廣、尤其是較深層的缺陷能階(emission time 在毫秒等級的)也能 夠被精準量測到,提高信號對雜訊的比值(S/N ratio)等。DLTS 技術主要是給定兩時 間 t1 與 t2,固定 t2/ t1,改變 t1 與 t2 來設定不同速率窗(利用雙閘訊號平均器設定), 電子發射速率 en隨著系統溫度變化而改變,只有當 en剛好落在所設之速率窗中,量 測系統才達到峰值,即有 t1 -t2 ln(t2/t1) en,max = 。當溫度很低時,ΔC 變化幅度很小(ΔC~0), 當溫度很高時,ΔC 變化幅度又太快(ΔC~0),只有當溫度在特定範圍,ΔC 變化才最 大,與實驗時所設定的時間常數最接近。設定不同 t1 與 t2 來改變不同速率窗(rate window,即 en,max-1),獲得多組不同 en,max與峰值溫度數據,可同樣求出缺陷活化能

(21)

與捕捉截面積。

2-3-6 光激發電性量測系統

論文中所使用的光激發電性量測系統,為本實驗室自行架設,包含以鹵素燈作 為外加光源,並配合電性量測系統(C-V, I-V 或 DLTS),以了解樣品於外加光源時的 電性特性。在先前的研究中[21],以紅外光 932nm LED 作為激發光源照射於樣品, 可觀察到量子平台的延伸,電容值增加與缺陷訊號出現,推測在照光之後使缺陷中 的載子躍遷速率加快,使之可以利用頻率加以調變。在本論文中將以具有連續發光 波段(可見光至紅外光,500 nm~2000 nm)的鹵素燈(Halogen lamp)作為光源,並透過 分光儀使輸出光源為單一波長光源(半高寬為 10 nm),再利用透鏡聚焦至真空腔體中 的樣品上。在照射光源的同時並配合電性量測系統的分析。光激發量測裝置系統如 圖 2-3 所示。

(22)

11

(23)

圖 2-2 光激發螢光量測系統(PL)

(24)

13

第3章 InAs/ GaAs 量子點的光電特性

本章節重點在於基本的 InAs/GaAs 量子點的光電特性分析。首先,先介紹樣品 的 PL 光性分析,再來藉由未照射光源下,量測量子點的 C-V、C-t 和 DLTS 之電性 量測,確立 EL2 缺陷的存在,並藉由缺陷濃度的估算,了解樣品中存在很高的缺陷 濃度。

3-1 InAs/GaAs 量子點光性分析

圖 3-1 為溫度從 80 K 升溫至 300 K,固定激發能量 10 mW 的 PL 隨溫度變化關 係圖。由圖中可發現,PL 訊號強度隨溫度上升而減弱,且訊號峰值(peak)逐漸往長 波長方向移動,有明顯的紅移(redshift)現象。PL 訊號強度隨溫度上升而減弱的原因 為,當溫度上升量子侷限效應變差,能形成輻射復合的電子電洞對則相對變少,反 應在 PL 的強度上因此減弱。另外,還可以發現圖中有兩個明顯的訊號峰值,在先前 的研究中[22]可以得知此為 InAs 量子點的訊號,在低溫 80 K 時低能階訊號,基態 (ground state, GS)出現在 1215 nm,第一激發態訊號(First excited state, FES)出現在 1155 nm,隨溫度上升至 300 K,GS 以及 FES 訊號會紅移至 1294 nm 和 1200 nm 的 位置。此樣品所呈現出訊號峰值的放射能量與溫度的關係是遵守 Varshni rule[23]的變 化。

3-2 確立 EL2 缺陷存在於 InAs/GaAs 量子點中

3-2-1

C-V 分析

一開始先觀察從低溫 77 K 至高溫 350 K,各溫度下改變頻率的 C-V 圖,如圖 3-2(a)-(c)。平台的位置(- 1 V 至- 3.5 V)表示量測到 InAs 量子點訊號的偏壓範圍。在 低溫 77 K 至 200 K 時,改變交流調變頻率 1 kHz 到 500 kHz,C-V 訊號沒有隨交流 訊號而改變,亦即無頻率響應,表示量子點中的載子躍遷速率遠超過實驗中的量測

(25)

頻率,因此量子點的平台位置都存在,這與先前的研究結果相同[24]。接著當量測溫 度升高至 300 K 和 350 K 時,則發現有頻率響應的現象,發生位置在偏壓為- 1 V 至- 3.5 V 之間,代表載子躍遷會隨實驗中改變量測頻率而被調變到。其中,一般認知量 子點載子躍遷速率的範圍是高頻程級[16]。然而,在這裡的實驗數據中觀察到頻率響 應的範圍為低頻 (1 kHz ~ 5 kHz),因此推測造成此頻率響應的原因應該是來自於缺 陷(defect)的訊號。

3-2-2 變溫 C-V 分析

從章節 3-2-1 C-V 分析中可以看出在低溫量測變頻 C-V 圖時,無頻率響應現象; 高溫 300 K 和 350 K 量測時,有頻率響應現象,並猜測頻率響應的原因是缺陷的影 響,在此小節進而以定頻率改變溫度的量測做觀察。圖 3-3 為定量測頻率 200 kHz 作變溫度的 C-V 圖,從圖中可以發現在溫度 77 K 至 200 K 時 C-V 圖的變化不大, 溫度上升至 250 K 時可發現電容值略有向上抬升的現象,當溫度升高至 300 K 時, 可以發現在偏壓- 0.5 V 至- 1.5 V,有一明顯增加的平台。接著將圖 3-3 C-V 變溫圖轉 成縱深分佈圖更能看出載子堆積的情形,如圖 3-4。低溫 77 K 時在 0.23 mm ~ 0.25 mm 有一明顯電荷堆積的峰值,依先前 PL 光譜的研究[22],量測到 GS 和 FES 的訊號, 並且對應於樣品長晶結構的 InAs 位置,因此我們認為在 0.24 mm 的峰值為 InAs 量子 點第一激發態(FES)的訊號,而在 0.25 mm 略出現的峰值為基態(GS)的訊號。量子訊 號出現於縱深圖的位置小於結構中的位置原因為,在製作 Schottky 接面前有先將樣 品做蝕刻的動作,以便於電性量測可觀察到量子點的訊號。此外,載子堆積的峰值 有隨溫度上升而下降的趨勢,尤其是 FES 的訊號。在低溫時量子侷限效應極佳,載 子容易侷限於量子點中,因此外加逆向偏壓時,電子受到場的影響而會躍遷出,貢 獻在電容的平台上和縱深分佈圖的電荷累積訊號;而當溫度上升時量子侷限效應變 差,所以侷限的載子量也相對變少,反映在電荷累積上也減小,因此同時也可以看 到在 0.2 mm 附近背景摻雜濃度(background doping concentration)的提升。再來,隨溫

(26)

15 度升高至 350 K 時,也能在 0.15 mm 的位置發現電荷堆積的現象,這裡是對應到 C-V 圖偏壓- 0.5 V 至- 1.5 V 之間位置的平台抬升。這裡推測造成升溫時出現電荷累積訊 號是由缺陷訊號貢獻而成的,呼應於章節 3-2-1 C-V 分析在高溫時觀察到頻率響應的 現象。 此缺陷訊號在高溫才能被調變的原因,這裡先排除是交流訊號調變的影響。在 前一小節中,可以觀察到缺陷訊號的調變是在低頻時(1 kHz ~ 5 kHz)才能觀察到,而 在圖 3-3,這裡的量測頻率為 200 kHz,因此足以說明此交流訊號頻率並不會調變此 缺陷的躍遷,間接也說明缺陷訊號是受到直流偏壓的影響而躍遷出來。這裡以圖 3-5(a)-(c)來作缺陷訊號受直流偏壓影響載子躍遷的能帶圖說明,在此假設缺陷能階 (Etrap)是中性能階(neutral trap),C-V 量測時是量測電子躍遷出的訊號。圖 3-5 (a)為在

未加逆向偏壓時的情形,即能帶彎曲僅與內建電位有關,此時費米能階(EF)調變的位 置是 C-V 圖中的 0V 位置。圖 3-5 (b)為低溫量測時的示意圖,此為逆向偏壓未調變 到量子點時情況,由圖可觀察到雖然費米能階跨在缺陷能階的位置上,但因缺陷訊 號在低溫時,躍遷速率非常緩慢,因此雖然直流偏壓掃動到缺陷,仍無法量測到其 訊號值。再來,溫度升至高溫時(圖 3-5 (c)),與圖 3-5 (b)為相同量測偏壓情況,缺陷 訊號原在低溫時因躍遷速率太慢以致於測量不到訊號,在溫度升至高溫後,根據 3-1 式缺陷訊號受升溫(T 增加)的關係使得載子受熱激發主導的躍遷速率加快, 𝑒𝑡ℎ(𝑇) = 𝛾𝑇2𝜎𝑛exp �−𝐸𝑘∙𝑇𝑡𝑡𝑡𝑡� (3-1) 其中,γ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, Etrap為缺陷能階活化能。因此,在升溫的過程中,缺陷能階的載子能藉由熱激發的關 係在直流偏壓掃過之後而躍遷出來,(即費米能階之上的載子有機會藉由熱激發而跳 出)而能在 C-V 圖中看到平台的貢獻及縱深圖載子堆積的現象。

(27)

3-2-3 C-t 分析

這裡進而以 C-t 量測方式,再次確認缺陷訊號的存在。量測的方式如圖 3-6 示意 圖所表示,一開始在量測之前(t < 0)是不加任何偏壓,即沒有偏壓狀態,當開始量測 之後(t > 0),外加連續相同的逆向偏壓直到量測結束,藉由量測時間逐漸增加,加以 觀察電容值的變化。圖 3-7 為溫度 300K,量測頻率為 1 MHz 的 C-t 圖,實驗觀察出 當外加偏壓- 2 V 和- 3 V 時,皆可以觀察到隨時間變化電容值呈現一個指數型態的增 加,這表示有一載子躍遷隨所加偏壓的時間增加,而躍遷出來貢獻於電容值。從 C-t 圖中可以看出電容值抬升是隨著秒的程級而逐漸上升,我們一般認為只有缺陷訊號 的躍遷速率才會以秒的範圍作傳輸,所以確認此為缺陷的訊號。這與 C-V 分析中所 得的推測相互呼應,這邊認為 C-V 分析與 C-t 分析所得的缺陷來源為同一個。

3-2-4 DLTS 分析

從 3-2-1 到 3-2-3 C-V 分析和 C-t 分析中可以看出有一缺陷訊號存在於樣品裡, 為了確立這缺陷的來源,進一步以 DLTS 分析來做確認。圖 3-8(a)-(g)為各偏壓下量 測載子放射(emission)的 DLTS 量測結果,量測偏壓為逆向偏壓(0 V/ - 0.5 V ~ - 3.0 V/ - 3.5 V),不同量測偏壓範圍表示探測樣品深度的不同,各偏壓下 filling pulse 為 10 ms, rate window 分別為 430 ms、 215 ms、 86 ms 和 43 ms。可以發現在各偏壓下均有量 測到在高溫 300 K 至 350 K 範圍的缺陷訊號, 接著將各偏壓下所對應到的峰值溫度繪製成阿瑞尼士圖(Arrhenius plot),如圖 3-9,可由此得到缺陷的活化能(activation energy, Ea)以及捕獲截面積(capture cross

section, σn),所得之數據整理在表 3-1。活化能值大約介於 580 meV 至 810 meV 之間,

捕獲截面積則在 10-13 cm2到 10-15 cm2之間,將此活化能對照於 PL 所得之 GS 和 FES 發光能量位置繪成能帶圖,如圖 3-10 所示。對照文獻依據[25,26],我們認為此活化 能與捕獲截面積所對應的缺陷應該是 EL2 的缺陷。然而,造成此缺陷產生原因是: 在成長 InAs/GaAs 量子點時,一般以低溫(480 o C)成長量子點,以助於銦有效聚集,

(28)

17 再蓋上 GaAs layer,然而,GaAs 的長晶溫度通常在高溫 600o C 左右,在這溫度下原 子具有足夠的動能,此時磊晶層的狀態則屬於熔融不穩定的情況,若直接在 InAs 量 子點上覆蓋高溫成長的 GaAs,將發生銦/鎵內部擴散(In/Ga interdiffusion)及量子點蒸 發消失的問題,因此在蓋上 GaAs 時會先以低溫的方式先成長薄薄一層,最後再蓋上 一般溫度的 GaAs layer[27,28]。在許多文獻中說明此低溫成長 GaAs layer 的方式,由 於 As 會取代 Ga (AsGa anti-site),容易形成 EL2 的缺陷[29],這與本論文相同。因此

在量測中也發現大量的 EL2 缺陷造成的量測影響,由此可知,從 C-V 分析、C-t 分 析在溫度為高溫時容易量測到缺陷訊號,在變溫 C-V 的縱深圖中(圖 3-3),位在 0.15 mm 電荷堆積的來源也是來自於 top GaAs layer 的 EL2 缺陷所貢獻。

此外,在表 3-1 中,不僅可以觀察到典型的 EL2 活化能(0.75 eV ~ 0.8 eV)[25], 也能發現偏小(~ 0.6 eV)以及偏大的活化能值(~ 1.0 eV)。對應於文獻的探討,許多研 究團隊針對 EL2 缺陷去做分析,在 P. Leyral 等人的研究中[30],發現 EL2 缺陷具有 metastable state 的特性,在 PL 量測上得到 0.65 eV 的放射訊號;另外在 T. Wosinski 的研究中[31],則發現 EL2 有兩種形態的能階訊號,一是在 0.75 eV,另外則是在 1.05 eV。皆能對應於本論文的實驗結果。

3-3 缺陷濃度與缺陷存在位置估計

3-3-1 缺陷濃度估計

針對所量測到的 EL2 缺陷,進一步以 DLTS 量測和 C-V 量測估計各區段偏壓下 缺陷濃度以及所對應的缺陷深度。先以 DLTS 量測觀點做說明,在做 DLTS 分析時, 主要是利用週期性變化電壓施加於樣品上,以改變樣品中空乏區大小,進而獲得訊 號值。藉由 DLTS 量測的結果,可得知其量測範圍內局部侷限能階的缺陷濃度(trap concentration, Nt)。一般常見的缺陷濃度轉換方式,是建立在缺陷濃度遠小於背景摻

雜濃度(background doping concentration, Nd)的假設之下,即 Nt ≪ Nd,並且假設缺陷

(29)

空間中局部分佈的缺陷濃度,因此這裡重新推導適用於局部侷限能階的缺陷濃度轉 換方式。首先,由 DLTS 原理得知,當缺陷能階所捕捉之電子得到足夠熱能後,其 可由缺陷能階躍遷出至空乏區邊緣(Eod),而造成空乏區寬度改變(∆X),產生 DLTS 的訊號值∆CDLTS,如圖 3-11(a)所示。並得到缺陷能階所放出之電子量∆n = Nd ∆X 滿 足下式: ∆n = 𝑁𝑑∙ 𝜀𝜀 �𝐶 1 0−∆𝐶𝐷𝐷𝐷𝐷− 1 𝐶0� (3-2) 其中,Nd為掃動電壓時對應之空乏區的背景摻雜濃度(即長晶時的摻雜濃度,8 x 1016 cm-3),ε 為半導體材料介電係數,A 為樣品的電極面積,∆CDLTS為 DLTS 量測的訊號 值(如圖 3-11(b)),C0為在 t2秒時的暫態電容值,C(t2),且 DLTS 量測儀器讀取的電 容差值(∆CDLTS = C(t2) - C(t1))之時間比例為 r = t2/ t1 = 11.5。因此,局部侷限能階的最 大訊號值∆Cmax即可對應於其所躍遷出最大電子量∆nmax,並滿足下式: ∆𝑛𝑚𝑚𝑚 = 𝑁𝑑∙ 𝜀𝜀 �𝐶0−∆𝐶1𝑚𝑡𝑚𝐶10� (3-3) 再來,從 C-V 量測觀點做說明,與 DLTS 量測相同的偏壓作對應,假設局部侷 限能階的缺陷濃度是均勻分佈於此空乏區空間中,當在 C-V 量測時掃動此偏壓範圍 的空乏區∆L,如圖 3-12(a),總共捕捉∆Nt的電子量,根據 Schottky 空乏理論可得知, 捕捉的總電子量∆Nt滿足下式: ∆𝑁𝑡 = 𝑁𝑡∆L = 𝑁𝑡(𝐿2− 𝐿1) = 𝑁𝑡∙ 𝜀𝜀 �1 𝐶2− 1 𝐶1� (3-4) 其中,Nt為量測局部侷限能階之空乏區中的缺陷濃度,ε 為半導體材料介電係數,A 為樣品的電極面積,C1和 C2為能量測到此最大缺陷濃度時的溫度對應之電壓 V1、 V2的高頻電容值(如圖 3-12(b))。接著,假設從 DLTS 量測到最大訊號值∆Cmax所對應 的最大電子量∆nmax與 C-V 量測時所得之侷限能階的缺陷濃度∆Nt(這裡假設 C-V 量測 時局部空乏區內的缺陷電子皆放出至空乏區邊緣)為相等,因此可得到局部侷限能階 的缺陷濃度 Nt滿足下式: 𝑁𝑡= 𝑁𝑑 ∙𝐶 ∆𝐶𝑚𝑡𝑚 0(𝐶0−∆𝐶𝑚𝑡𝑚)∙ 𝐶1∙𝐶2 𝐶1−𝐶2 (3-5)

(30)

19 而當 DLTS 量測的局部侷限之缺陷能階所捕捉的電子皆放出空乏區邊緣時,在 t2秒 時的暫態電容值 C0即可近似成 C-V 量測時的高頻電容值 C2,所以可把(3-5)式簡化 成為下式: 𝑁𝑡 = 𝑁𝑑 ∙(𝐶2∆𝐶−∆𝐶𝑚𝑡𝑚𝑚𝑡𝑚)𝐶1𝐶−𝐶12 (3-6) 因此,藉由此公式,可得知 DLTS 所量測的各 rate window、各偏壓下所掃出的 局部侷限之缺陷濃度,如圖 3-13。

3-3-2 缺陷存在位置估計

在前一小節中,估算出 DLTS 各偏壓量測下之局部侷限能階的缺陷濃度,在此 小節將藉由各逆向偏壓下所掃動的空乏區位置,去對應缺陷存在的位置。由圖 3-11(a) 來做說明,在偏壓為 V2時,因局部侷限之缺陷能階上的電子掃出,而貢獻在空乏區 的微縮(∆X),此時的 V2偏壓所對應的費米能階(EF)位置,不僅是對應於空乏區邊緣 的位置(Eod),亦相對應於在缺陷能階上的位置(Ltrap),在此假設其缺陷能階在整個結 構中的位置皆相等的情況下,利用下面式子,計算各偏壓量測下之缺陷位置(Ltrap): 𝐸𝑡𝑡𝑚𝑡 = 𝑞∙𝑁2𝜀𝑑�𝑊2− 𝐿𝑡𝑡𝑚𝑡2� (3-7)

其中,Etrap為缺陷活化能(在這裡以 EL2 缺陷之活化能做計算[25],Etrap = 0.8 eV),

Nd為掃動偏壓時對應之空乏區的背景摻雜濃度,ε 為半導體材料介電係數,W 為在 V2 偏壓時所對應的高頻測量之 C 值轉換成的空乏區大小。推算出的缺陷位置(Ltrap) 將其整理如表 3-2 所表示。 將 3-3-1 缺陷濃度估計與 3-3-2 小節缺陷位置估計的數據繪製成圖 3-13,將局部 侷限之缺陷能階濃度(~ 1016 cm-3)與長晶時的背景摻雜濃度相比(8 x 1016 cm-3),觀察 出缺陷濃度佔有很高的比例。在這裡如此高濃度的缺陷濃度將會影響到後面章節照 光之電性量測分析。

(31)

1000 1100 1200 1300 1400 1500 0.000 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 TR502 Power = 10 mW 80 K 100 K 160 K 210 K 240 K 300 K

P

L

i

nt

ens

it

y

(

a

.u.

)

Wavelength (nm)

圖 3-1 InAs 量子點隨溫度變化關係之 PL 光譜圖 -5 -4 -3 -2 -1 0 200 300 400 500 TR502 T = 77 K 200 K dark 1 kHz 5 kHz 100 kHz 500 kHz

C

a

pa

ci

ta

nc

e (

pF

)

Voltage (V)

圖 3-2(a) 各溫度下變頻率 C-V 圖

FES

GS

(a)

(32)

21 -5 -4 -3 -2 -1 0 200 300 400 500 TR502 T = 300 K dark 1 kHz 5 kHz 100 kHz 500 kHz

C

a

pa

ci

ta

nc

e (

pF

)

Voltage (V)

圖 3-2(b) 各溫度下變頻率 C-V 圖 -5 -4 -3 -2 -1 0 200 300 400 500 TR502 T = 350 K dark 1 kHz 2 kHz 5 kHz 100 kHz

C

a

pa

ci

ta

nc

e (

pF

)

Voltage (V)

圖 3-2(c) 各溫度下變頻率 C-V 圖 (b) (c)

(33)

-4 -3 -2 -1 0 200 250 300 350 400 450 500 550 TR502 f = 200 kHz dark 77 K 100 K 150 K 200 K 250 K 280 K 300 K 330 K 350 K

C

a

pa

ci

ta

nc

e (

pF

)

Voltage (V)

圖 3-3 定量測頻率 200 kHz 之變溫 C-V 圖 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 1017 1018 TR502 f = 200 kHz dark 77 K 100 K 150 K 200 K 250 K 280 K 300 K 330 K 350 K

N

(cm

-3

)

Depth

(mm

)

圖 3-4 定量測頻率 200 kHz 之變溫縱深分佈圖

77K

350K

FES

defect

GS

(34)

23

圖 3-5 缺陷訊號受直流偏壓影響載子躍遷的能帶圖 (a)

(b)

(35)

圖 3-6 量測 C-t 分析之外加偏壓與時間關係示意圖 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 240 250 260 270 280 290 300 TR502 T = 300 K f = 1 MHz V = - 2 V V = - 3 V

C

a

pa

ci

ta

nc

e (

pF

)

Time (sec)

圖 3-7 溫度 300K 之量測頻率 1 MHz C-t 圖

Time

Bias

0

- 3V

- 2V

(36)

25 圖 3-8 各偏壓下載子放射之 DLTS 量測 50 100 150 200 250 300 350 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 TR502 filling pulse : 10m s Bias : - 0.0 V / - 0.5 V rate window ∆C ( p F ) Temperature (K) 430 ms 215 ms 86 ms 43 ms 50 100 150 200 250 300 350 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 TR502 filling pulse : 10 ms Bias : - 0.5 V / - 1.0 V rate window ∆C ( p F ) Temperature (K) 430 ms 215 ms 86 ms 43 ms 50 100 150 200 250 300 350 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 TR502 filling pulse : 10 ms Bias : - 1.0 V / - 1.5 V rate window ∆C ( p F ) Temperature (K) 430 ms 215 ms 86 ms 43 ms 50 100 150 200 250 300 350 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 TR502 filling pulse : 10 ms Bias : - 1.5 V / - 2.0 V rate window ∆C ( p F ) Temperature (K) 430 ms 215 ms 86 ms 43 ms 50 100 150 200 250 300 350 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 TR502 filling pulse : 10m s Bias : - 2.0 V / - 2.5 V rate window ∆C ( p F ) Temperature (K) 430 ms 215 ms 86 ms 43 ms 50 100 150 200 250 300 350 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 TR502 filling pulse : 10 ms Bias : - 2.5 V / - 3.0 V rate window ∆C ( p F ) Temperature (K) 430 ms 215 ms 86 ms 43 ms 50 100 150 200 250 300 350 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 TR502 filling pulse : 10 ms Bias : - 3.0 V / - 3.5 V rate window ∆C ( p F ) Temperature (K) 430 ms 215 ms 86 ms 43 ms (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g)

(37)

2 3 4 5 6 7 8 101 102 103 104 105 0.0 V / - 0.5 V - 0.5 V / - 1.0 V - 1.0 V / - 1.5 V - 1.5 V / - 2.0 V - 2.0 V / - 2.5 V - 2.5 V / - 3.0 V - 3.0 V / - 3.5 V

t

T

2

(

s-K

2

)

1000/T (1/K)

EL2 圖 3-9 各偏壓下之阿瑞尼士圖 表 3-1 各偏壓下之缺陷的活化能以及捕獲截面積

(38)

27 圖 3-10 缺陷活化能與 PL 發光能量位置之能帶圖 圖 3-11 DLTS 觀點之缺陷濃度估計示意圖 (a) (b)

(39)

圖 3-12 C-V 觀點之缺陷濃度估計示意圖 (a)

(40)

29 表 3-2 缺陷存在位置(Ltrap)估計 0.25 0.20 0.15 0.10 1x1016 2x1016 3x1016 4x1016 5x1016 TR502 f = 1 MHz

tra

p

co

n

cen

tr

a

ti

o

n

(

cm

-3

)

Depth (

mm)

430 ms 215 ms 86 ms 43 ms rate window 圖 3-13 缺陷濃度與缺陷位置估計關係圖

(41)

第4章 EL2 缺陷能階受照光之影響

在第四章中將探討 EL2 缺陷受照射光源於 InAs/GaAs 量子點中的影響,在此選 擇照射光源能量為 0.8 eV (1550 nm)以足於激發 EL2 缺陷能階,藉由光源功率的改變, 以及環境溫度的狀態,並作 C-V 電性量測的分析,從中觀察載子訊號的調變。 圖 4-1(a)-(e)表示改變照光功率下 C-V 變溫圖,照光功率分別為 30 W、60 W、 120 W、180 W 與 210 W。從各圖低溫部分可觀察出,隨著光源功率增加,在逆向偏 壓- 2 V 至- 3.5 V 之間有顯著的電容平台抬升,在 210 W 時有最大的電容抬升量;高 溫部分,則隨著光源功率增加,無明顯的改變量。因此,接下來將先探討低溫下改 變照光功率對於 EL2 缺陷與量子點之影響,再來加入溫度的討論作呼應。

4-1

照射光源對於 EL2 缺陷之影響

圖 4-2 為環境溫度 77 K 下改變照射光源功率之 C-V 關係圖。照射光源波段為 0.8 eV (1550 nm),量測頻率為 200 kHz,以 30W 為間隔,改變光源功率 30 W 至 210 W 之間的量測分析。圖中不照光(dark)到照光 210 W 之電容值訊號,能發現到隨著光源 功率逐漸增加,電容值有很明顯的增加量,在 210 W 時之抬升量將近有 80 pF 的量 值,而在各光源功率下也皆能看到受量子侷限的平台訊號,在此先探討照光對於 EL2 缺陷的影響,即逆向偏壓 0 V 至- 1 V 之間。 這裡認為在低溫並照光下,對於 EL2 缺陷作 C-V 量測,此改變逆向偏壓使之測 量到缺陷訊號的行為類似於 DLTS 之量測,如圖 4-3(a)-(c)所示。圖 4-3(a)為未加偏壓 下之能帶圖,能帶彎曲為內建電位(Vbi)影響,而 EL2 缺陷能階近似於內建電位值, 此時費米能階恰沒有調變到缺陷能階。圖 4-3(b)為低溫時未照光下外加偏壓能帶圖, 在第 3 章已說明在低溫下掃動缺陷能階,因缺陷載子躍遷速率緩慢,因此不會貢獻 電容訊號。圖 4-3(c)為與圖 4-3(b)同偏壓下照光之能帶圖,缺陷載子受照光影響其躍 遷速率加快,因此外加偏壓下能躍遷出貢獻電容值訊號。由圖 4-3(a)到圖 4-3(c)之過

(42)

31

程,電子從未躍遷出到受照光使電子躍遷出的行為就像是 DLTS 放射(emission)量測 掃出電子訊號。

再來,將引入照射光源下光激發之捕捉截面積σno (optical cross section)[30]及照

光強度 φ 與躍遷時間常數的關係,進一步描述載子的躍遷機制。由圖 4-4 可知,在 能隙內有一帶有濃度為 Nt 的 EL2 缺陷能階存在,並僅考慮電子放射情形。根據 Shockley-Read-Hall 復合理論,以 Nt隨時間的變化率描述在有無照射光源下之 EL2 缺陷能階的電子濃度變化量。在未照光下,電子受熱激發影響的放射速率以 Ren作表 示,當照射光源下,電子躍遷將與光源有關,以 Rno作表示,而在缺陷能階位置 Nt 隨時間的變化量則滿足下式: 𝑑(𝑁𝑡∙𝑓(𝑡)) 𝑑𝑡 = −𝑅𝑒𝑛− 𝑅𝑛𝑜= −𝐶𝑛𝑛′𝑁𝑡𝑓(𝑡) − 𝜎𝑛𝑜𝜑𝑁𝑡𝑓(𝑡) (4-1) 其中 Nt為缺陷能階的電子濃度,f(t)為在缺陷能階的佔據機率。Ren表示放射到傳導 帶的速率並與缺陷電子數目成正比,因此 Ren能寫成𝐶𝑛𝑛′𝑁𝑡𝑓(𝑡);而 Rno是與照光強 度φ 與光激發之捕捉截面積σno成正比,寫成𝜎𝑛𝑜𝜑𝑁𝑡𝑓(𝑡)。經由微分方程式解可知 f(t) 滿足下式: 𝑓(𝑡) = 𝑓(∞) + [𝑓(0) − 𝑓(∞)]𝑒−𝑡�𝜏𝑜𝜏𝑜= 1 𝐶𝑛𝑛′+𝜎𝑛𝑜𝜑 (4-2) 其中𝜏𝑜為電子躍遷的時間常數。由邊界條件可知,在𝑓(∞)時,表示在無窮長時間下 (t = ∞),即穩態情形,電子的佔據機率為零,在𝑓(0)則表示在時間為零時(t = 0)電子 佔據機率為 1,因此可將(4-2)式整理為下式: 𝑓(𝑡) = 𝑒−𝑡�𝜏𝑜𝜏𝑜= 1 𝐶𝑛𝑛′+𝜎𝑛𝑜𝜑 (4-3) 這裡以圖 4-5 表示加入照光影響之阿瑞尼士圖示意圖,實線表示未照光下之示意,時 間常數隨溫度改變為線性變化;隨著光源加入,時間常數在低溫部分為不隨溫度改 變而影響其變化量。接著,以照光 DLTS 量測,如圖 4-6 所示,能直接觀察到在高低 溫下受照光影響之電子躍遷時間常數變化情形。從圖中可觀察出未照光低溫時,並 無看見電子躍遷貢獻的電容變化量(∆C),僅能觀察到在高溫時因熱激發之電容變化 情形。而在照射光源下,則能發現在低溫 80 K 至 200 K 時看見一與溫度無關的∆C

(43)

變化,此印證在低溫照射光源下載子躍遷時間常數(𝜏𝑜)變快,並以照光項為主導,電 子躍遷速率(1 𝜏⁄ )與光激發之捕捉截面積及光強度乘積成正比關係(1 𝜏𝑜 ⁄ = 𝜎𝑜 𝑛𝑜𝜑); 在 高 溫部 分則 須同 時考 慮熱 激 發 及照光 所影 響之電子躍 遷速率(1 𝜏⁄ = 𝐶𝑜 𝑛𝑛+ 𝜎𝑛𝑜𝜑)。 當缺陷能階上的電子訊號放射時,則能留下帶正電濃度 Nt + ,藉由(4-3)式可知, Nt + 隨時間的變化量能寫成下式, 𝑁𝑡+ = 𝑁𝑡(1 − 𝑓(𝑡)) = 𝑁𝑡�1 − 𝑒−𝑡�𝜏𝑜 � (4-4) 並依據擬合可知 Nt + 與時間變化量成指數的關係,如圖 4-7。當時間呈穩態時,Nt + 濃度量會接近於 Nt量值。 接著,將此缺陷濃度與電子躍遷時間常數的關係帶入實驗數據中(圖 4-2)。藉由 有無照光下之壓降關係式,可推得出在各光源功率下帶正電濃度 Nt + 與背景摻雜濃度 之比例。未照光下之壓降關係式為: 𝑞 2𝜀𝑁𝑑𝐿𝑑𝑚𝑡𝑘 2 = 𝑉 𝑏𝑏+ 𝑉𝑅 (4-5) 照光下之壓降關係式為: 𝑞 2𝜀𝑁𝑑𝐿𝑡ℎ𝑜𝑡𝑜2− 𝑞 2𝜀𝑁𝑡+�𝐿𝑡ℎ𝑜𝑡𝑜− 𝐿0� 2 = 𝑉𝑏𝑏+ 𝑉𝑅 (4-6) 經由整理之後得出帶正電濃度 Nt + 與背景摻雜濃度之比例,如下所示: 𝑁𝑡+ 𝑁𝑑 = 𝐿𝑑𝑡𝑡𝑑2−𝐿𝑡ℎ𝑜𝑡𝑜2 (𝐿𝑑𝑡𝑡𝑑−𝐿0)2 (4-7) 其中,L0為未加偏壓時之空乏區寬度,Ldark為加逆向偏壓並未照光下之空乏區寬度, Lphoto為加逆向偏壓且照光下之空乏區寬度。藉此可繪出各光源功率下之 Nt + /Nd之數 據,如圖 4-8 所示。擬合線為滿足(4-4)式所繪,藉由擬合出的公式,可知在照光光源 能量 0.8 eV 的光激發之捕捉截面積值為 5.02 x 10-4 (a.u.)。 由上述描述可知,照射光源能使得缺陷訊號躍遷速率加快,並且隨著照射光源 強度增加,躍遷速率則增加,貢獻於電容訊號則越多,載子受照光之影響躍遷示意 圖如圖 4-9 所示。

(44)

33

4-2

照射光源對於量子點之影響

4-2-1 量子點佔據機率改變

從圖 4-2 中逆向偏壓- 1 V 至- 3.5 V 間可觀察出改變照光功率對於量子點的影響。 將 C-V 圖轉成縱深分佈圖(圖 4-10),並先觀察小功率(30 W ~ 90 W)的變化,可發現 到載子堆積峰值隨光源功率增加而有下降的趨勢,並且往淺位置方向移動。這裡認 為量子點能態訊號受照光影響其電子佔據機率改變,如圖 4-11 所示,當未照光下電 子佔據機率較集中,而隨著光源強度增加電子佔據機率會往高能階方向移動,因此 在縱深圖上可看到在小功率部分隨光源功率逐漸增加,GS 與 ES 愈分離的現象。 上述過程,同樣也能引入照射光源下光激發之捕捉截面積σno (optical cross section)[30]及照光強度 φ 與躍遷時間常數的關係,描述載子的躍遷機制。在討論量 子點能態需考慮電子捕捉及放射情形,如圖 4-12 所示,根據 Shockley-Read-Hall 復 合理論,以 NQD隨時間的變化率描述在有無照射光源下之量子點能態的電子濃度變 化量。在未照光下,電子受熱激發影響的放射速率以 Ren作表示,捕捉速率以 Rcn作 表示,當照射光源下,電子躍遷與光源有關,以 Rno作表示,在量子點能態位置 NQD 隨時間的變化量則滿足下式: 𝑑 �𝑁𝑄𝑄∙ 𝑓(𝑡)� 𝑑𝑡 = 𝑅𝑐𝑛− 𝑅𝑒𝑛− 𝑅𝑛𝑜 = 𝐶𝑛𝑛𝑁𝑄𝑄�1 − 𝑓(𝑡)� − 𝐶𝑛𝑛′𝑁𝑄𝑄𝑓(𝑡) − 𝜎𝑛𝑜𝜑𝑁𝑄𝑄𝑓(𝑡) (4-8) 其中,NQD為量子點能態電子濃度,f(t)為在量子點能態的佔據機率。Rcn表示從傳導 帶捕捉至量子點能態的速率,寫成𝐶𝑛𝑛𝑁𝑄𝑄�1 − 𝑓(𝑡)�;Ren表示從量子點能態放射到 傳導帶的速率,因此 Ren能寫成𝐶𝑛𝑛′𝑁𝑄𝑄𝑓(𝑡);而 Rno是與照光強度 φ 與光激發之捕 捉截面積σno成正比,寫成𝜎𝑛𝑜𝜑𝑁𝑄𝑄𝑓(𝑡)。經由微分方程式解可知 f(t)滿足下式: 𝑓(𝑡) = 𝑓(∞) + [𝑓(0) − 𝑓(∞)]𝑒−𝑡�𝜏𝑜𝜏𝑜 = 1 𝐶𝑛(𝑛+𝑛′)+𝜎𝑛𝑜𝜑 (4-9) 其中𝜏𝑜為電子躍遷的時間常數。由邊界條件可知,在𝑓(0)則表示在時間為零時(t = 0) 電子佔據機率為 1;在𝑓(∞)時,即穩態狀態,為𝐶𝑛𝑛/[𝐶𝑛(𝑛 + 𝑛′) + 𝜎𝑛𝑜𝜑]。由𝑓(∞)可

(45)

知,當加入光源後電子佔據機率會隨著照射光源功率增加而佔據機率下降。藉此可 說明縱深圖中從未照光到照光功率 90 W 的電荷累積情形,有電子佔據機率改變的狀 況。

4-2-2

空乏區位置誤判

再來,繼續觀察圖 4-10 大功率下的變化(120 W ~ 210 W),從圖中可發現電荷累 積峰值隨著光源功率增加有更往淺位置移動的趨勢,這裡懷疑這樣的電荷累積峰值 在淺空乏區出現的正確性。藉由圖 4-13 可知,當偏壓調變到量子點時必須考慮 InAs/GaAs 異質接面處的位能障,從 4-1 節可知缺陷能階之電子受照光影響其躍遷速 率加快,因此當外加偏壓時,缺陷能階電子能躍遷至傳導帶。然而,當量測溫度在 低溫下及外加偏壓還不足以使躍遷至傳導帶的缺陷電子跑至空乏區邊緣處(Eod),在 傳導帶的自由電子則會待在 InAs/GaAs 異質接面處的位能障之前,即 dQGaAs的位置, 而 dQGaAs量值是隨著照光強度增加而增加,因此留在此處的電子愈多,造成的能帶 彎曲現象則愈嚴重,而可能會在費米能階加交流訊號時被調變到。因此在計算交流 調變的電容值(C = 𝑑𝑄 𝑑𝑉⁄ )時,除了須考慮到空乏區邊緣 dQ1的調變,另外也不能忽 略 dQGaAs造成的影響。這裡假設在做交流訊號調變時恰無掃到量子點能態訊號,因 此只先考慮 dQ1與 dQGaAs貢獻的電容並聯情形。整體掃出的電荷量為 dQ1 + dQGaAs, 並滿足下式: C =𝑑𝑄𝑑𝑑 = 𝑑𝑄1+𝑑𝑄𝐺𝑡𝐺𝐺 𝑑𝑑1 𝜀𝐺𝐿+𝑑𝑑𝐺𝑡𝐺𝐺𝜀𝐺 𝐿𝐺 (4-10) 經由整理之後,可成為(4-11): 𝐶 = 𝜀𝜀 𝐿𝐺𝑑𝑑1+𝑑𝑑𝐺𝑡𝐺𝐺𝑑𝑑𝐺𝑡𝐺𝐺 +𝐿𝑑𝑑1+𝑑𝑑𝐺𝑡𝐺𝐺𝑑𝑑1 (4-11) 由(4-11)式可知,當照光功率小,即 dQGaAs貢獻量小時,所呈現在縱深圖上的空乏區 寬度為 L 所主導;當照光功率大時,dQGaAs貢獻的電荷量增加,Ls將會主導縱深圖 上所觀察到的空乏區位置。因此,可了解圖 4-10 中大功率的部分,觀察到電荷峰值 訊號隨著功率增加,而往淺位置移動的趨勢,其為轉成縱深分佈圖時掃動費米能階

(46)

35 對於空乏區寬度的誤判,此向淺位置移動的訊號峰值仍為量子點激發態的能態訊 號。

4-3 照射光源下之變溫 C-V 分析

在此節將探討固定光源功率 210 W 下,做改變溫度 180 K 至 350 K 的 C-V 量測, 如圖 4-14(a)-(c)所示。從圖 4-14 (b)中能明顯觀察到當溫度 180 K 升溫至 270 K 時, 逆向偏壓 0 V 至- 1.5 V 之間的電容值是幾乎不動的,而在偏壓- 1.5 V 至- 3.5 V 間, 則隨著溫度上升至 270 K 電容值隨之遞減;然而,當溫度從 280 K 上升至 350 K 時(圖 4-14 (c)),在逆向偏壓- 2 V 至- 4 V 之間的電容值幾乎沒改變,0 V 至- 2 V 之間則隨 著溫度升高而抬升,在圖 4-14 (b)與圖 4-14 (c)中能看見明顯的兩個不同訊號的消長 關係。接著,將 C-V 轉成縱深分佈圖更能觀察出電荷堆積訊號的消長情形,如圖 4-15 所示。圖中能觀察到明顯三個電荷堆積峰值,量子點訊號、受缺陷能階訊號所影響 的量子點 ES 峰值以及 EL2 缺陷訊號,在此量子點訊號和受缺陷能階訊號所影響的 量子點 ES 峰值出現原因已在前面小節作過說明,這裡將針對溫度導致受缺陷能階訊 號所影響的量子點 ES 峰值之影響與 EL2 缺陷訊號的產生作說明。 從縱深圖中可以觀察到,當溫度從 180 K 上升至 270 K 時,ES 電荷堆積訊號隨 之減小且半高寬逐漸變寬。針對 ES 峰值,這裡將此訊號作一固定範圍的訊號積分, 如圖 4-16,能發現隨著溫度上升其面積的大小隨之下降,這表示 ES 受溫度影響侷限 能力下降,因此在溫度高於 280 K 時將無侷限能力貢獻電容訊號值。接著,觀察溫 度 280 K 至 350 K,能發現在 0.15 mm 位置另有一額外出現的電荷堆積訊號。這裡將 此訊號對應於圖 3-4 變溫縱深分佈圖(未照光),在圖 3-4 中也能發現在 0.15 mm 位置 的電荷堆積訊號,在第三章的探討中已確認其訊號來源為 top GaAs layer 的 EL2 缺陷 能階訊號。因此,圖 4-15 溫度 280 K 至 350 K,在 0.15 mm 位置逐漸增加的訊號, 認為也是來自於 top GaAs layer 的 EL2 缺陷能階訊號。

(47)

-4 -3 -2 -1 0 200 250 300 350 400 450 500 550 TR502 f = 200 kHz E = 0.8 eV P = 30 W 77 K 100 K 150 K 200 K 250 K 280 K 300 K 330 K 350 K C a pa ci ta nc e ( pF ) Voltage (V) -4 -3 -2 -1 0 200 250 300 350 400 450 500 550 TR502 f = 200 kHz E = 0.8 eV P = 60 W 77 K 100 K 150 K 200 K 250 K 280 K 300 K 330 K 350 K C a pa ci ta nc e ( pF ) Voltage (V) -4 -3 -2 -1 0 200 250 300 350 400 450 500 550 TR502 f = 200 kHz E = 0.8 eV P = 120 W 77 K 100 K 150 K 200 K 250 K 280 K 300 K 330 K 350 K C a pa ci ta nc e ( pF ) Voltage (V) 圖 4-1 改變照光功率下之 C-V 變溫圖 (a) (b) (c)

(48)

37 -4 -3 -2 -1 0 200 250 300 350 400 450 500 550 TR502 f = 200 kHz E = 0.8 eV P = 180 W 77 K 100 K 150 K 200 K 250 K 280 K 300 K 330 K 350 K C a pa ci ta nc e ( pF ) Voltage (V) -4 -3 -2 -1 0 200 250 300 350 400 450 500 550 TR502 f = 200 kHz E = 0.8 eV P = 210 W 77 K 100 K 150 K 200 K 250 K 280 K 300 K 330 K 350 K C a pa ci ta nc e ( pF ) Voltage (V) 圖 4-1 改變照光功率下之 C-V 變溫圖 圖 4-2 77 K 下變光源功率之 C-V 關係圖

-4

-3

-2

-1

0

200

250

300

350

400

450

500

TR502 T = 77 K f = 200 kHz E = 0.8 eV dark 30 W 60 W 90 W 120 W 150 W 180 W 210 W

C

a

pa

ci

ta

nc

e (

pF

)

Voltage (V)

dark

210 W

(Traps do not emit)

(Traps emit)

L

dark

∆t: sweeping time

L

photo

L

0 (d) (e)

(49)

圖 4-3 照光 C-V 量測類似於 DLTS 量測之能帶示意圖 (a)

(b)

(50)

39

圖 4-4 EL2 缺陷能階載子躍遷示意圖

(51)

50 100 150 200 250 300 350 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 TR502 filling pulse : 10 ms Bias : - 2.0 V / - 2.5 V rate window = 430 ms

∆C (

p

F

)

Temperature (K)

dark E = 0.8 eV E = 1.04 eV E = 1.34 eV 圖 4-6 照光 DLTS 量測

At low temperature

→ optical term dominated

𝜏1𝑜

= 𝜎

𝑛𝑜

𝜑

At high temperature

𝜏1𝑜

= 𝐶

𝑛

𝑛′ + 𝜎

𝑛𝑜

𝜑

(52)

41 圖 4-7 Nt + 與時間變化量之關係圖 30 60 90 120 150 180 210 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 TR502 V = - 1 V E = 0.8 eV experiment simulation

N

t +

/N

d

(

a

.u.

)

Power (W)

圖 4-8 各光源功率下 Nt + /Nd之數據 0 50 100 150 200

N

t +

o

n t

he

t

ra

ps

Time

N

t

𝑦 = 30[1 − 𝑒

−0.00477𝑚

]

𝜎

𝑛𝑜

= 5.02 × 10

−4

(a.u.)

(53)

圖 4-9 載子受照光之影響躍遷示意圖 圖 4-10 77 K 下變光源功率之縱深分佈圖

0.30

0.25

0.20

0.15

0.10

10

17

10

18

TR502

T = 77 K

f = 200 kHz

E = 0.8 eV

dark 30 W 60 W 90 W 120 W 150 W 180 W 210 W

N

(

cm

-3

)

Depth

(

mm

)

dark

210 W

(54)

43

圖 4-11 量子點能態訊號受照光影響其電子佔據機率改變之示意圖

(55)

圖 4-13 加入 dQGaAs之能帶示意圖 -4 -3 -2 -1 0 200 250 300 350 400 450 500 550 600 TR502 f = 210 kHz E = 0.8 eV P = 210 W 180 K 200 K 210 K 220 K 230 K 240 K 250 K 260 K 270 K 280 K 290 K 300 K 310 K 330 K 350 K

C

a

pa

ci

ta

nc

e (

pF

)

Voltage (V)

圖 4-14 照射光源下之變溫 C-V 圖 (a)

數據

圖  2-1  樣品結構及所對應之能帶圖

圖 2-1

樣品結構及所對應之能帶圖 p.22
圖  2-2  光激發螢光量測系統(PL)

圖 2-2

光激發螢光量測系統(PL) p.23
圖  3-5  缺陷訊號受直流偏壓影響載子躍遷的能帶圖 (a)

圖 3-5

缺陷訊號受直流偏壓影響載子躍遷的能帶圖 (a) p.34
圖  3-12  C-V 觀點之缺陷濃度估計示意圖 (a)

圖 3-12

C-V 觀點之缺陷濃度估計示意圖 (a) p.39
圖  4-3  照光 C-V 量測類似於 DLTS 量測之能帶示意圖 (a)

圖 4-3

照光 C-V 量測類似於 DLTS 量測之能帶示意圖 (a) p.49
圖  4-4  EL2 缺陷能階載子躍遷示意圖

圖 4-4

EL2 缺陷能階載子躍遷示意圖 p.50
圖  4-9  載子受照光之影響躍遷示意圖  圖  4-10  77 K 下變光源功率之縱深分佈圖 0.300.250.200.15 0.1010171018TR502T = 77 Kf = 200 kHzE = 0.8 eV dark 30 W 60 W 90 W 120 W 150 W 180 W 210 WN (cm-3)Depth (mm)dark 210 W

圖 4-9

載子受照光之影響躍遷示意圖 圖 4-10 77 K 下變光源功率之縱深分佈圖 0.300.250.200.15 0.1010171018TR502T = 77 Kf = 200 kHzE = 0.8 eV dark 30 W 60 W 90 W 120 W 150 W 180 W 210 WN (cm-3)Depth (mm)dark 210 W p.53
圖  4-11  量子點能態訊號受照光影響其電子佔據機率改變之示意圖

圖 4-11

量子點能態訊號受照光影響其電子佔據機率改變之示意圖 p.54
圖  4-13  加入 dQ GaAs 之能帶示意圖  -4 -3 -2 -1 0200250300350400450500550600TR502f = 210 kHzE = 0.8 eVP = 210 W 180 K 200 K 210 K 220 K 230 K 240 K 250 K 260 K 270 K 280 K 290 K 300 K 310 K 330 K 350 KCapacitance (pF) Voltage (V) 圖 4-14  照射光源下之變溫 C-V 圖 (a)

圖 4-13

加入 dQ GaAs 之能帶示意圖 -4 -3 -2 -1 0200250300350400450500550600TR502f = 210 kHzE = 0.8 eVP = 210 W 180 K 200 K 210 K 220 K 230 K 240 K 250 K 260 K 270 K 280 K 290 K 300 K 310 K 330 K 350 KCapacitance (pF) Voltage (V) 圖 4-14 照射光源下之變溫 C-V 圖 (a) p.55
圖  4-15  照射光源下之變溫縱深分佈圖  180 200 220 240 260 2802.0x10152.2x10152.4x10152.6x10152.8x10153.0x1015TR502f = 210 kHzE = 0.8 eVP = 210 WArea (a.u.) Temperature (K) 圖  4-16  濃度訊號積分與溫度之關係圖 0.250.200.15 0.1010171018TR502f = 210 kHzE = 0.8 eVP = 210 W  180 K 200 K 2

圖 4-15

照射光源下之變溫縱深分佈圖 180 200 220 240 260 2802.0x10152.2x10152.4x10152.6x10152.8x10153.0x1015TR502f = 210 kHzE = 0.8 eVP = 210 WArea (a.u.) Temperature (K) 圖 4-16 濃度訊號積分與溫度之關係圖 0.250.200.15 0.1010171018TR502f = 210 kHzE = 0.8 eVP = 210 W 180 K 200 K 2 p.57
圖  5-1  光激發電性量測原理

圖 5-1

光激發電性量測原理 p.61
圖  5-4  GaAs 塊材光電流與光電容分析[35]  0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6050100150200250Photocapacitance (pF) Energy (eV) V = - 1 V V = - 2 V V = - 3 V V = - 3.5 VTR502T = 77 Kf = 100 kHzPower = 180 W -0.0010.0000.0010.0020.0030.0040.0050.0060.007 PL intensity (a.u.) 圖  5-5

圖 5-4

GaAs 塊材光電流與光電容分析[35] 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6050100150200250Photocapacitance (pF) Energy (eV) V = - 1 V V = - 2 V V = - 3 V V = - 3.5 VTR502T = 77 Kf = 100 kHzPower = 180 W -0.0010.0000.0010.0020.0030.0040.0050.0060.007 PL intensity (a.u.) 圖 5-5 p.67

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Outline : 第6章 結論