砷化鎵/氮砷化鎵/砷化鎵 量子井結構的電性及光學分析

Abstract

異質GaAsN/GaAs量子井結構，具有較大的Conduction-band offset，可做為1.3μm~1.5μm的發光元件，但因Lattice mismatch，在超過臨界厚度後，會因應力回復造成不相稱差排而產生缺陷。本論文我們以深層能階暫態頻譜、暫態電容的量測、導納頻譜量測、Xray繞射儀與光激光（Photoluminescence，），研究以有機金屬化學氣相沈積法（MOCVD）成長的GaAs0.982N0.018/GaAs 單一量子井結構（Single Quantum Well，SQW）的晶格匹配、載子分佈、不相稱差排的缺陷、缺陷能階與能帶問題。 透過低溫（10K）Photoluminescence的能帶分析，我們發現到因量子侷限效應造成強烈的Blueshift，隨著井厚度的增加，GaAs0.982N0.018的PL光強度遞減，在此溫度下的GaAs對應的能量為1.51eV，並有因長晶時DMHY分解不完全所殘留的碳（Carbon），在10K溫度其所對應的PL能量為1.49eV，對於GaAs而言，C會取代As而形成P-type；X-ray Rocking curve得知此SQW結構井厚度在295A已產生部分晶格鬆弛，造成的晶格不匹配，產生差排，然而當井厚度增大時，因晶格鬆弛造成的差排並沒有顯著提高，推測可能是由於有碳的存在抑制了差排；藉由缺陷量測，我們發現在臨界厚度以內沒有主要載子缺陷，在大於臨厚度則有主要載子的缺陷，在溫度為350K、240K、80K左右，缺陷的活化能分別約為0.51eV、0.44eV~0.48eV、0.16eV。藉由電容電壓的量測，我們得知載子的分布，估算出GaAs0.982N0.018/GaAs此單一量子井結構的Band Offset ΔEc約為0.28eV，ΔEv約為-50meV，為type-II的能帶關係；從光學和電性分析我們得知GaAs0.982N0.018/GaAs單一量子井結構的臨界厚度約在175A到295A之間。

The hetrostructure of GaAsN/GaAs quantum well has a relatively large condouction-band offset and is a suitable material for long-wavelength laser diodes（lasing at 1.3~1.5μm or longer wavelengths）. However when well thickness increase beyond the critical thickness， lattice relaxation occurrs and the carrier depletion around the quantum well is observed . The photoluminescence reveals a strong blueshift of GaAs0.982N0.018/GaAs quantum emission . The X-ray rocking curve show that the critical thickness of GaAs0.982N0.018/GaAs single quantum well is around 175A~295A . Based on the concerntration profile ，we obtain that the conduction-band offset ΔEc of GaAs0.982N0.018/GaAs single quantum well is around 0.28eV and the ΔEv is around 50meV . The band diagram of GaAs0.982N0.018/GaAs single quantum well is shown to be Type-II . Three deep levels（active energy 0.51、0.44~0.48 and 0.16eV） are observed by DLTS in relaxed samples .