缺陷能階與量子點之載子躍遷光電容產生機制

Abstract

本論文利用三片樣品分別為2.34ML、3.3ML量子點樣品及砷化鎵基板樣品 之間的比較，透過光性與電性量測分析來瞭解其樣品的光電特性，接著透過光激發下的電性量測觀察樣品中的光電容訊號。由於本實驗室照射光源皆在近紅外光區域，而且小於砷化鎵在室溫下的的能隙，因此優先討論光電容產生的機制；而在樣品2.34ML量子點樣品的低溫光電容圖中，當照光能量在1.3eV附近時，發現有一包明顯的光電容訊號產生，透過和砷化鎵基板樣品在低溫下的光電容相比，兩者在照光1.3eV能量下的光電容趨勢相當類似，因此判斷在2.34ML樣品1.3eV附近的電容值抬升源自於缺陷的貢獻，而為了確認量子點是否有貢獻在光電容上，我們利用量子點載子侷限能力較佳的3.3ML樣品來實驗，藉由改變照光能量的CV圖發現，當照光能量逐漸提升(0.8eV、0.95eV、1.16eV)至可激發量子點基態能量時，CV圖上光電容產生的位置也正好出現在電壓空乏量子點基態的位置，表示量子點的確有貢獻在光電容上；為了釐清量子點樣品當中的光電容來自於缺陷或者是量子點，我們透過調變量測速率實驗證實3.3ML量子點的平台抬升和缺陷有關係，由能帶上的相對位置，我們提出光激發後缺陷能階和量子點間的載子躍遷模型為電子從1.3eV深層缺陷跳至量子點上的能階，因而被量測調變到，並利用照光下的頻率響應佐證我們的論點；而本論文後半段則主要為理論模擬，分成兩部分，第一部分為量子點樣品照光後，只靠量子點本身產生光電容的機制模擬，模擬結果告訴我們由於量子點內正電荷發射時間常數(time constant)的級數小，因此只靠量子點本身要產生明顯的電容值抬升機會並不大，第二部分則是砷化鎵基板樣品的光電容模擬，透過照光量測暫態電容實驗發現無法觀測到樣品內的Optical pump現象，來確認量測到的光電容是否為缺陷發射電子的變化，並藉由缺陷正電荷造成空乏區回縮的模型，模擬出了和實驗趨勢相近的結果。

The electrical and optical properties of 2.34ML、3.3ML quantum dots (QDs) samples and GaAs bulk sample are studied using the photo-capacitance measurements. First of all, we discuss the mechanism of the photo-capacitance illuminated by near-infrared light source. Secondly, according to the photo-capacitance measurements, the deep level traps near 1.3eV exist in both QDs-samples and GaAs bulk sample. In order to investigate how the QDs contribute the photo-capacitance, we measured the 3.3ML QDs-sample with better carrier confinement. The photo-capacitance of 3.3 ML QDs-sample is observed if the illuminating energy is larger than the ground state of the QDs. Therefore, the quantum structure can enhance the photo-capacitance indeed. In addition, if we change the sweeping rate of bias in the C-V measurements, the photo-capacitance in the QDs plateau can be modulated. It means that the photo-capacitance near the plateau of the QDs is related to defects with slow time constant. We establish a model to explain the interaction between the deep level traps and the QDs, and the photo-capacitance is simulated based on the QDs and deep level traps respectively. In summary, the photo-capacitance is caused by the QDs and the deep level traps of 1.3 eV.