砷化銦鎵與砷化鎵量子點應變鬆弛的特性研究
Studies of on-set relaxation in In(Ga)As/GaAs quantum dots
計畫編號: NSC 90-2112-M-009 -043-執行日期:90/08/01~91/07/31 個別型計畫: 計畫主持人:陳振芳 交大電子物理系教授 一、中文摘要 我們藉由導納頻譜的量測分析來 研究 InAs(N)/GaAs 量子點結構之中的 載子分佈與放射特性。在 InAs/GaAs 量子點樣品中我們發現到，在量子點 的區域有載子堆積形成峰值的現象產 生 ， 此 即 為 量 子 侷 限 效 應 。 而 在 InAsN/GaAs 的量子點樣品中，當掃瞄 頻率很低的時候，在量子點結構的地 方仍然有載子堆積的情形出現。但當 使用高頻掃瞄時，在量子點的地方發 生載子空乏的情形。在量子點結構的 區域出現載子堆積的峰值，其強度隨 著溫度降低而變弱，這意味著這個峰 值的來源是電子從缺陷能階放射出來 所形成的，而不是從量子點放射出來 的。而高頻時為什麼在量子點的地方 沒有載子堆積的現象，此乃由於載子 從缺陷放射出來的速度無法跟上我們 做高頻電容量測時的交流訊號。我們 利 用 電 容 - 頻 率 的 量 測 ， 可 得 到 在 InAsN 量 子 點 中 的 缺 陷 活 化 能 為 0.42ev。 英文摘要
The carrier distribution and emission property in InAs(N)/GaAs quantum dot (QD) have been
investigated by admittance
spectroscopy. In the case of
InAs/GaAs QD, a carrier
accumulation peak appears in the QD region, implying the effect of quantum confinement. In the case of InAsN/GaAs QD, When ac voltage is
sufficiently low, a carrier
accumulation peak was found in the QD region and, when ac voltage is high, carrier depletion was found in the QD region. The intensity of the accumulation peak in the QD region decreases with lowering temperature, suggesting the peak is due to electron emission from defect levels instead of from QD. The reason why no accumulation peak was found in the QD region is because the electron emission from the defects can not follow the ac voltage when the capacitance is measured at high frequency. The defect in the InAsN QD is characterized to be at 0.42 eV by capacitance frequency measurement. 二、計畫緣由與目的 由於 In(Ga)As/GaAs 量子點都存在 著晶格不匹配的問題。而 InAsN/GaAs 量子點所存在的缺陷更是複雜，一般 對於這種材料的長晶和光性參考資料 不少，但缺陷在電性上有何差異，這 些都是引起我們興趣的問題。
三、研究方法與成果
本實驗採用兩種樣品，樣品(一) 為 使 用 分 子 束 磊 晶 (MBE) 法 成 長 InAs/GaAs 單層量子點結構。在 n-type 的 GaAs(100) substrate 上成長一厚度 約為 0.3μm GaAs 薄膜 (Si doping 的
濃度為 16 3 10 4× cm )，接著依序成長厚− 度為 2.6ML 的 InAs (QDs)，然後覆蓋 一層厚度為 50A 的 InGaAs(QW)，最後 再蓋上一層 0.3μm 的 GaAs(Si doping 濃度約為 16 3 10 4× cm 。Schottky diode− 的 製 作 是 將 樣 品 正 面 蒸 鍍 圓 形 Al patern，背面上 Au patern 作為 Ohmic contact diode。樣品(二)亦是採分子束 磊晶(MBE)法,成長 InAsN/GaAs 單層 量子點結構。在 n-type 的 GaAs (100) substrate 上成長層厚度為 0.3μm GaAs 的 緩 衝 層 ( 其 矽 摻 雜 濃 度 為 8 × 1016cm-3)，接著再長一層厚度為 2.6ML 的 InAsN (QDs)，其中 N 以 RF Plasma source 的 作 為 其 材 料 產 生 之 來 源 ,N content 約為 15%，然後依序成長一厚 為 50A 的 InGaAs (QW),最後再覆蓋上 0.3μm(Si doping 8x1016m-3 )。電極製作 與樣品(一)相同。 我們將樣品做電性的量測(C-V)與 分析。從(圖一)我們可以觀察到當曲線 斜率開始大幅變小的時候，依溫度的 不同，範圍差不多在-4V~-5.5V 左右。 由 dV C d A qK N s d / ) / 1 ( 2 2 2 0 ε = 知 當 曲線斜率越小時載子的濃度越大，所 以當偏壓加到-4V~-5.5V 時差不多就 是我們的樣品載子堆積的的地方，也 就是量子點的所在位置。將 C-V 圖換 算成縱深分佈（圖二），可以看出濃度 分佈在 0.3μm 的位置有很明顯的峰 值，這與我們當初長晶時長量子點的 位置很吻合，代表量子點對載子有很 明顯的侷限作用。 同 樣 的 我 們 將 樣 品 ( 二 ) 做 導 納 (admittance)量測並探討缺陷電容與溫 度﹑頻率的關係。由電容對外加偏壓 的關係圖(C-V,圖三)在不同的頻率下 量 測 電容 ， 我們 可 發 現 在 外 加 偏 壓 V=-2 附近，電容值有明顯的差異。進 一步將 C-V(圖三)轉換成縱身佈圖(圖 四 ) 後 ， 更 可 以 清 楚 的 看 出 高 頻 時 (f=100kHz)，在量子點的地方有載子空 乏的現象發生。而在低頻時(f=3kHz)， 有 peak 出現，此種現象表示這個 peak 的來源是 trapped electrons 而不是 free electrons 所造成。即低頻時，carrier 跟的得上量測頻率，所以可以從 trap 中跳出來，形成 peak。而高頻時，因 為 carrier 跟不上量測頻率，所以完全 被 trap 捉住，而形成 carrier depletion 的現象。至於高頻時為何最後仍然有 大量載子出現，乃是因為雖然 carrier 跟不上交流訊號的頻率，但是當直流 偏壓達到 V=-4v 時，此時已使得缺陷 能階高於費米能階，所以最後 carrier 還是會從 trap 中全部跳出來，形成 peak。從上述的情形可以得知，這些 trapped carrier 有一個時間常數 ô (time constant)，於是我們利用不同溫度下電 容對頻率的關係圖(C-W，圖五)，外加 偏壓為 V=-2v(量子點附近)，可以在每 一個溫度曲線的反曲點找到一個 ô 值，進而利用 ln(ôT2)=(
E
c-E
T/ê)(1/T)-ln(1/ã
nó
n)
可以繪出 Arrhenius plot(圖六)，從斜 率 就 可 以 得 到 活 化 能E
a=E
c-E
T(
activation energy)
為0.42ev ， 補 獲 截 面 積 (cross setion)
V(volt) -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 C (p F ) 100 200 300 400 500 600 700 800 400K 375K 350K 325K 300K 250K 200K 140K 80K frequency:5e5Hz (圖一)C-V depth(µm) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Nd (c m -3) 1e+16 1e+17 1e+18 400K 375K 350K 325K 300K 250K 200K 140K 80K (圖二) V -5 -4 -3 -2 -1 0 C (p F ) 100 150 200 250 300 350 400 450 500 3kHz 100kHz 圖三(C-V) X (um) 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 N d (c m -3) 1e+16 1e+17 f=3KHz f=100KHz (圖四) log(f)(Hz) 1 2 3 4 5 6 7 C (p F ) 130 140 150 160 170 180 190 200 350k 340k 330k 320k 310k 300k 290k 280k (圖五)C-W 1000/T(K-1 ) 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 log ( τ T 2) -2 -1 0 1 2 Ea=0.42ev σ=2.32∗10−14cm2 (圖六)
