行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
砷化銦自聚式量子點內應力鬆弛效應與材料交互混合產生
的電性缺陷的影響(1/3)
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC94-2112-M-009-029- 執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 國立交通大學電子物理學系(所) 計畫主持人： 陳振芳 報告類型： 精簡報告 報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 95 年 5 月 29 日
砷化銦自聚式量子點內應力鬆弛效應與材料交互混合產生的電性缺陷的影響 (1/3)
Effects of strain relaxation and material intermixing on the production of electrically active defects in InAs self-assembled quamtum dots
計畫編號：NSC 94-2112-M-009 -029- 執行日期：94/08/01 ~ 95/07/31 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 我們藉由載子分布、穿透式電子 顯微鏡 (TEM) 和深層能階暫態頻譜 (DLTS)的分析來研究 InAs0.94Sb0.06 量 子點的應力鬆弛現象。當InAsSb 厚度 達臨界厚度時，會產生應力鬆弛並導 致量子點的部分載子被空乏，而在上 層GaAs 的載子空乏現象更加顯著。由 TEM 數據可得知載子分布的情形，在 dot 上界邊緣有 misfit dislocations，而 上層GaAs 有 threading dislocations 現
象。但在dot 下界及下層 GaAs 沒有觀
察到dislocation 的現象，原因是應力鬆
弛 可 能 發 生 在 量 子 點 的 邊 緣 。 此 外 DLTS 頻譜顯示上層 GaAs 的 threading dislocations 導致 0.64 eV 的缺陷，而 dot 的 misfit dislocations 導致 0.35 eV 的缺陷，兩者皆引起載子被空乏現象。 英文摘要
We present the carrier distribution, transmission electron microscopy (TEM) and deep-level transient spectroscopy (DLTS) studies of strain relaxation in InAs0.94Sb0.06 quantum dots (QDs). We
show that as the InAsSb thickness reaches the critical thickness, strain is relaxed and causes partial carrier depletion in the dots and drastic carrier depletion in the top GaAs layer. This
carrier distribution is consistent with the T E M d a t a w h i c h s h o w m i s f i t dislocations on the edges of the dot u p p e r b o u n d a r y a n d t h r e a d i n g dislocations in the top GaAs layer. No dislocations in the dot lower boundary and in the bottom GaAs layer were observed. Accordingly, the onset of strain relaxation may occur on the edges of the dots. The DLTS spectra show that the threading dislocations in the top GaAs layer give rise to a trap at 0.64 eV and the misfit dislocations in the dots give rise to a trap at 0.35 eV, both of which cause the carrier depletion. 二、計畫緣由與目的 為了達到光纖通訊的發光波長 1.3 μ m ， 近 年 來 研 究 發 現 把 S b 加 入 InGaAs 量子井中，使得發光波段拉 長。Sb 的功用可以增加二維的成長模 式且抑制三維的成長模式，所以二維 轉變為三維的臨界厚度會增加，此外 可減輕磊晶層材料的表面能且延後差 排(dislocation)缺陷的形成，進而可使量 子 結 構 長 的 更 厚 ， 發 光 波 段 可 拉 更 長。由於關於 InAsSb/GaAs 自聚式量 子點的應力鬆弛現象研究甚少，我們 藉由電性和結構特性來研究缺陷引致 應 力 鬆 弛 現 象 。
三、研究方法與成果 本實驗使用分子束磊晶(MBE)法 在 n+-GaAs(100)基板上成長 InAsSb Q D s 。 Q D s 的 形 成 採 用 Stranski-Krastanow 長晶方式，長晶溫 度 4850C、長晶速率 0.256 Ǻ/s。由 GaAsSb layers 的 X-ray data 可估計有 6 ﹪的 Sb 成分。而 Reflection high-energy electron diffraction(RHEED) patterns 指 出 Sb 的加入會阻礙 QDs 形成。為了做 電性量測，將 QDs 夾在兩層 0.3μm 厚 的 Si-doped GaAs(6×1016 cm-3 )，並在樣品 上蒸鍍 Al 來形成 Schottky diodes。 (圖一) C-V 量測顯示 20K 時厚度 2, 2.2 和 2.8ML InAs0.94Sb0.06 QDs Schottky samples 的載子分布。2 和 2.2ML 樣品顯示在 dots 中有 strong carrier-accumulation peak，且沒有 frequency-dependent attenuation，表示量 子 狀 態 有 非 常 快 速 地 e l e c t r o n emission。相對地 2.8ML 樣品顯示 dot 在 0.28μm 處有 weak accumulation，並 在上層 GaAs(約 0.23μm 處)有顯著的 載 子 空 乏 。 此 外 在 1 2 8 5 n m 處 P L emission 非常微弱，這歸因於載子空乏 的 缺 陷 所 引 致 的 晶 格 鬆 弛 現 象 。 而 weak accumulation paek 顯示沒有 frequency-dependent attenuation，意指在 下層 GaAs 附近沒有缺陷，因為任何缺 陷都會增加 emission time。缺陷的臨界 厚度介於 2.2 和 2.8ML 間，較 InAs QDs (約 2.7 和 3.06ML 間)稍小，可能是因為 Sb 加入而增加晶格不匹配的程度。 ( 圖 二 a ) 顯 示 2 . 8 M L s a m p l e 的 cross-sectional TEM 圖形。在上層 GaAs 有 threading dislocations 表示有顯著的載子空乏。(圖二 b) 顯示 高解析度 TEM(HRTEM)中，典型量子 點(橢圓虛線)對應到右手邊的量子點。 (圖二 c) 顯示對應的 Fourier transformed 圖像。在右手邊較大的兩個圓中有兩 個 misfit，而其他的圓中有一個 misfit。 在 QD 上界邊緣有六個 misfit，其中 dot 內有兩個 misfit，顯示出應力鬆弛效 應。量子點的部份載子空乏歸因於這 些 misfit 會捕捉電子。由 misfit 的分布， 可推論應力鬆弛的原因，可能是因為 在 QD 上界邊緣處有相當大的應力累 積，很可能產生 threading dislocations 以提供misfit dislocations 集結的來源。 由 DLTS spectra 可得知晶格鬆弛 引致的缺陷。 (圖三) 最頂端的圖顯示 2 和 2.2ML 的樣品，從 0 掃到-3.5 V 並 無缺陷的產生，表示 QDs 的形成是連 貫的。相對的，2.8ML 的樣品顯示在 上層 GaAs 有缺陷 E1，在dots 附近有 缺陷E2。再由Arrhenius plot 產生活化 能( 捕 獲 截 面 積 ) ， 對 E1 缺 陷 是 0.64eV(2.11×10-15 cm-2 ) ，對 E2 缺陷是 0.35eV(1.18×10-17 cm-2 )。當填充偏壓增 加，E1 缺陷的 intensity 也增加但不飽 和 。 (圖四 a) 顯示 300K 時從 0 掃到-0.5V 的transient 量測，經 fitting 後呈現對數 函數。這項特徵顯示載子沿著線性排 列的 dislocation lines 被缺陷捕捉的庫 倫排斥作用，並確定 E1 缺陷在上層
GaAs 有 threading dislocations。 (圖四 b ) 顯 示 偏 壓 由 - 2 掃 到 - 2 . 5 V 的 transient 量測。除了非常起始的時間 外，fitting 後呈現指數函數，意指 E2 缺陷是由於misfit dislocation 的孤立點 缺陷。和InAs QDs 對照，Sb 的摻雜可 降 低 dislocation density 或抑制 dislocation 的運作，我們猜想 Sb 的摻 雜 可 阻 止 這 些 缺 陷 發 生 。
5.0x1016 1.0x1017 -0.2 -0.3 -0.4 3.0x1016 6.0x1016 5.0x1016 1.0x1017 1.5x1017 5KHz 100KHz 20K 2.0ML 5KHz 100KHz
