經由光激螢光光譜量測得知，InGaAsN雷射二極體單層量子井半導體其波長峰值隨著N含量濃度的增加往長波長推進，以MOCVD成長結構為例，氮含量從0.3％增加到0.5％時，其波長峰值從1.17μm推進到1.202μm；MBE成長結構氮含量從2.1％增加到2.6％時，其波長峰值從1.196μm推進到1.289μm，然而我們發現當氮含量到達3％後，峰值位置已經無法再往長波長偏移，最後氮含量增加到3.25％後，峰值位置反而還藍移了回來到1.266μm。將樣品回火750℃時間30秒(通入混和氣體H2 : 15%，N2 : 85%)做處理後，觀察到兩種成長方式的樣品其峰值強度皆有明顯的增加，而峰值位置的部分MOCVD成長的樣品有藍移的現象，在MBE成長的樣品卻沒有太多的改變。之後我們選取TR538氮含量2.1％的樣品做變溫PL量測在低溫(~ 55K)下出現局域能階(localized level)，而在回火後即消失；以及以相同的氮含量2.1％，利用光電流光譜與電制吸收光譜量測觀察單層量子井(TR538)與雙層量子井(TR515)之間的光學差異性。在光電流光譜上，兩種結構皆能看到因偏壓調制後波長紅移的現象，可是在雙層量子井結構中卻可以清楚的看到其吸收邊，正確的判斷e1-hh1對應波長位置1.192μm，與紅移量100Å。再以吸收係數變化與折射率變化光譜觀察，在加入最大反向偏壓6V時，雙層量子井結構在波長其e1-hh1位置處吸收變化量為14439cm-1，其結果比單層量子井時的5394cm-1來的強許多；折射率變化單層量子井為0.019，而雙層量子井為0.038。

From PL spectrum of InGaAsN LD structures grown by MOCVD and MBE, we observe remarkable red shift of the wavelength after the addition of small concentration of nitrogen. For MOCVD growth, the concentration of nitrogen increases from 0.3% to 0.5%, and the wavelength improve from 1.17μm to 1.202μm. For MBE growth, the concentration of nitrogen increases from 2.1% to 2.6%, and the wavelength improve from 1.196μm to 1.289μm. When the concentration arrived 3%, we find the wavelength already unable to improve to long wavelength. We also observed the changes the PL peak like S-shaped from temperature-depentent PL spectrum.
For the photocurrent and electroabsorption measurement, we prepared two the same concentration of nitrogen 2.1% samples, but different structures ,one is TR538 single quantum well structure, the other is TR515 double quantum well structure. The e1-hh1transition can be observed clear at λ=1.192 of TR515, but it was unapparent for TR538. Now, let us focus on the photocurrent and Δα signal of the fundamental e1-hh1 transitions for the largest reverse bias voltage swing(0-6v) , the maximum absorption changes of around 5394cm-1 for TR538 and 14439cm-1 for TR515. The refractive index changes of 0.019 for TR538 and 0.035 for TR515.

目錄

第一章 緒論…………………………………………………………..…1
1-1 前言……………………………………………………..….1
1-2 研究動機………………………………………………..….2
1-3 論文架構………………………………………….……… .4

第二章 原理簡介……………………………………………….……… 5
2-1 氮砷化銦鎵的特性………………………………….……..5
2-2 載子躍遷………………………………………….………. 9
2-3 量子侷限史塔克效應（QCSE）………………….……..10
2-4 光激螢光原理…………………………………………….11
2-5 光電流原理……………………………………………….12
2-6 透射率與吸收係數……………………………………….12
2-7 Kramers Kronig 轉換近似法……………………………..14

第三章 量測系統與方法………………………………………………15
3-1 光激螢光量測…………………………………………….15
3-2 光電流量測……………………………………………….18
3-3 電制吸收量測…………………………………………….21

第四章 量測樣品與製作………………………………………………24
4-1 磊晶結構………………………………………………….25
4-2 元件製成………………………………………………….30
4-3 PL製成步驟……………………………………………….32
4-4 光電流光譜元件製成步驟……………………………….33

第五章 結果與分析…………………………………...……………….37
5-1光激螢光光譜量測………………………………………..38
5-2變溫PL量測………………………………………………50
5-3光電流與吸收光譜………………………………………..54
5-3-1 TR538單層量子井結構(SQW)…………………….54
5-3-2 TR515雙層量子井結構(DQW)……………………59

第六章 結論……………………………………………………………66

參考文獻………………………………………………………………..67

圖目錄

第一章 緒論
圖1-1 InGaAsN材料之特性…………………………………………..2

第二章 原理簡介
圖2-1 1.3μm材料之能帶排列比較……………………………….…6
圖2-2 加入氮化物後能階與晶格常數關係圖………………………..6
圖2-3 Band Anticrossing示意圖…………………………….………..7
圖2-4 載子躍遷之三種機制…………………………………………..9
圖2-5 有無受外加電場調制的能帶圖形與波函數分佈…...……….10

第三章 量測系統與方法
圖3-1 Newport 818-IG光檢測器的光譜響應……………………….16
圖3-2 光激螢光量測系統………………….…………..…………….17
圖3-3 光電流量測系統………………………...…………………….20
圖3-4 電制吸收光譜量測系統……………………………...……….23

第四章 量測樣品與製作
圖4-1 910718B 磊晶結構……………………………………………25
圖4-2 910801E 磊晶結構……………………………………………25
圖4-3 910805B 磊晶結構……………………………………………26
圖4-4 910805C 磊晶結構……………………………………………27
圖4-5 TR538~TR578單層量子井磊晶結構………………………...28
圖4-6 TR515雙層量子井磊晶結構……………………………………29
圖4-7 元件製成側面結構圖……………………………….….………..30
圖4-8 元件完成圖………………………………………..……………..31

第五章 結果與分析
圖5-1 910718B氮含量0.1％回火前後的PL光譜圖………………..39
圖5-2 910801E氮含量0.3％回火前後的PL光譜圖………………..39
圖5-3 910805B氮含量0.4％回火前後的PL光譜圖………………..40
圖5-4 910805C氮含量0.5％回火前後的PL光譜圖………………..40
圖5-5 TR538氮含量2.1％回火前後的PL光譜圖…………………..41
圖5-6 TR562氮含量2.6％回火前後的PL光譜圖…………………..41
圖5-7 TR575氮含量3％回火前後的PL光譜圖…………………….42
圖5-8 TR578氮含量3％回火前後的PL光譜圖…………………….42
圖5-9 In0.38GaAs/GaAs主動層厚度62Å的模凝結果………………...43
圖5-10 MOCVD與MBE樣品的Δ(e1-hh1)值………..……………....46
圖5-11 MOCVD與MBE樣品回火後的Δ(e1-hh1)值………...……...47
圖5-12 實際PL量測與模擬理論的波峰值…………………………….49
圖5-13 實際PL量測與模擬理論的Δ(e1-hh1)值……………………..49
圖5-14 TR538在不同溫度下峰值的位置……………………...………51
圖5-15 TR538在不同溫度下峰值位置的變化……………………..….51
圖5-16 TR538在不同溫度下半高寬的變化……………………..…….52
圖5-17 TR538回火後在不同溫度下峰值的位置……………………...52
圖5-18 TR538回火後在不同溫度下峰值位置的變化………………...53
圖5-19 TR538回火後在不同溫度下半高寬的變化…………………...54
圖5-20 TR538光電流光譜圖……………………………………..…….55
圖5-21 TR538光電流光譜放大圖………………………………..…….55
圖5-22 TR538

[1] M. Kondow, K. Uomi, A. Niwa, T. kitatani, S. Watahiki and Y. Yazawa, “GaInNAs:A novel Material for Long-Wavelength-Range Laser Diodes with Excellent High-Temperature Performance,”Jpn. J. Appl. Phys, vol. 35, pp1273-1275, 1995.
[2] W. Ha, V. Gambin, S. Bank, M. Wistey, H. Yuen, S.M. Kim, and J.S. Harris, “Long-Wavelength GaInNAs(Sb) Lasers on GaAs,” IEEE J. of Quantum Electronics, vol.38,pp.1260-1267, 2002.
[3] W. Shan, W. Walukiewicz, J.W. Ager Ⅲ, E.E. Haller, J.F. Geisz, D.J. Fridman, J.M. Olson, and S.R. Kurtz, “Band Anticrossing in GaInNAs Alloys,” Phs. Rev. Lett., vol.82, pp. 1221-1224, 1999.
[4] Pallab Bhattacharya, Semiconductor Optoelectronic Devices, 2nd ed. pp.116-140, Prentice Hall International Editions.
[5] P.J. Klar, H. Gruning, J. Koch, S. Schafer, K. Volz, W.Stolz, and W. Heimbordt, A.M. Kamal Saadi, A. Lindsay,and E.P. O’R.eilly, “(Ga,In)(N,As)-fine structure of the band gap due to nearest-neighbor configurations of the isovalent nitrogen, ”Phys .Rev B, vol.64, #121203, 2001.
[6] M. Albrecht, V. Grillo, T. Remmele, and H.P. Struck, “Effect of annealing on the In and N distribution in InGaAsN quantum wells,” Appl. Phys. Lett. vol.81,pp.2719-2721, 2002.
[7] Y.S. Jalili, P.N. Stavrinou, J.S. Roberts and G. Parry, “Electro-absorption and electro-refraction in InGaAsN quantum well structures,” Electronics Letters vol.38,pp.343-345,2002.
[8] C. Skierbiszewski, P. Perlin, P. Wisniewski, W. Knap, and T. Suski, W.
Walukiewicz, W. Shan, K.M. Yu, J.W. Ager, and E.E. Haller, J.F. Gersz and J.M. Olson, “Large, nitrogen-induced increase of the electron effective mass in InyGa1-yNxAs1-x,” Appl. Phys. Lett. vol.76,pp.2409-2411, 2000.
[9] S.Shirakata, M.Kondow, and T.Kitatani, “Temperature-dependent photoluminescence of high-quality GaInNAs single quantum wells,” Appl. Phys. Lett. vol.80, pp.2087-2089, 2002
[10] 樊祥彬 “半導體量子井結構光電流及電制吸收光譜之研究” 國立中山大學光電工程研究所
[11] 施郡繡 “半導體量子結構光學特性之研究” 國立中山大學光電工程研究所