專利名稱：半導(dǎo)體納米線少數(shù)載流子壽命的檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低維結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料的檢測(cè)，具體是指一種半導(dǎo)體納米線少數(shù)載流子壽命的新型測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體納米線因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和光電特性，在光電探測(cè)和太陽(yáng)能收集領(lǐng)域獲得了廣泛的關(guān)注。少數(shù)載流子壽命(以下簡(jiǎn)稱少子壽命)是決定器件光電性能的主要因素。納米線由于具有很高的表面-體積比，使得表面散射對(duì)其少子壽命的影響顯著，這與體材料具有很大的差異。因此對(duì)單根納米線壽命的提取，對(duì)于其材料特性優(yōu)化及器件的性能提升和應(yīng)用有十分積極的意義。而到目前為止，發(fā)展的對(duì)于半導(dǎo)體納米線等低維結(jié)構(gòu)載流子、激子壽命的表征手段則主要包括太赫茲時(shí)間分辨光譜和時(shí)間分辨光致發(fā)光譜。上述這些測(cè)量方法首先，考察的是半導(dǎo)體的瞬態(tài)光生載流子延遲響應(yīng)；其次，對(duì)單根納米線少子壽命的測(cè)量，往往需要在低溫下進(jìn)行，且對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測(cè)量條件的要求很高；再者，光注入的非平衡載流子濃度可以達(dá)到1017cm_3，已經(jīng)有證據(jù)顯示納米線中的電學(xué)結(jié)構(gòu)會(huì)因此改變，導(dǎo)致少子壽命與光強(qiáng)相關(guān)，因而不能代表納米線在光電應(yīng)用中的狀態(tài)。為此在接近準(zhǔn)平衡態(tài)、低光激發(fā)功率密度等光電器件工作條件下的少子壽命提取具有十分重要的意義。本發(fā)明基于對(duì)單根納米線的光電流測(cè)量，并與數(shù)值模擬結(jié)合提取單根納米線的少子壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)現(xiàn)有分析技術(shù)的不足，提供一種適用于半導(dǎo)體納米線的光電子學(xué)檢測(cè)方法。對(duì)分子束外延生長(zhǎng)或者刻蝕得到的豎直納米線陣列即可進(jìn)行表征，納米線需要有摻雜襯底或者摻雜緩沖層。本方法在獲取單根半導(dǎo)體納米線定量光激發(fā)電流的同時(shí)，可以提取到其中的少子壽命。本發(fā)明的依據(jù)是肖特基電極反偏下，半導(dǎo)體納米線的光電流隨偏壓的增長(zhǎng)趨勢(shì)取決于肖特基勢(shì)壘寬度和少子擴(kuò)散長(zhǎng)度的相對(duì)大小。其中肖特基勢(shì)壘的寬度由納米線本身的摻雜、電極特性等決定，對(duì)偏壓有固定的依賴關(guān)系；而少子擴(kuò)散長(zhǎng)度則由少子壽命決定，其變化會(huì)直接反映到納米線的光電響應(yīng)當(dāng)中。因此通過(guò)建立基于納米線實(shí)際能帶結(jié)構(gòu)、摻雜、尺寸、電極等特性的數(shù)值模型，定量擬合實(shí)驗(yàn)上表征到的光電流曲線，可以獲取單根納米線的少子壽命。本方法首先是納米線樣品的制備和單根納米線光電流的測(cè)量。采用機(jī)械旋涂的方法，在納米線樣品上均勻得旋涂一層聚合物。然后對(duì)樣品進(jìn)行烘焙固化，最終通過(guò)拋光減薄的方法使得納米線的頂端裸露出來(lái)，以達(dá)到測(cè)量的要求。對(duì)納米線的光電流測(cè)量一方面選取穩(wěn)定的外接光源來(lái)激發(fā)納米線，要求功率可調(diào)且光子能量要大于納米線的禁帶寬度；另一方面對(duì)單根納米線的電學(xué)測(cè)量則依靠導(dǎo)電原子力顯微鏡。在對(duì)納米線樣品上表面的掃描過(guò)程中，借助于半導(dǎo)體與周圍聚合物的導(dǎo)電性差異來(lái)定位單根納米線，進(jìn)而完成電流特性的測(cè)量。其次建立基于實(shí)驗(yàn)配置(納米線能帶結(jié)構(gòu)、摻雜、尺寸及考慮測(cè)量中導(dǎo)電針尖與半導(dǎo)體納米線形成的肖特基接觸)的數(shù)值模型，定量擬合光電流實(shí)驗(yàn)曲線。建模采用商用化軟件，納米線實(shí)驗(yàn)上的暗電流水平可以幫助確定針尖-納米線肖特基電極的勢(shì)壘高度。單根半導(dǎo)體納米線的載流子壽命可以通過(guò)定量擬合光生電流獲取，在這個(gè)過(guò)程中，僅將光激發(fā)功率和少子壽命設(shè)置為兩個(gè)可調(diào)的參數(shù)。其中光激發(fā)功率決定了光電流的量級(jí)，而少子壽命則是定量擬合的關(guān)鍵參數(shù)，因?yàn)樗鲗?dǎo)了肖特基反偏下光電流隨偏壓的增長(zhǎng)趨勢(shì)。本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)首先體現(xiàn)在通過(guò)簡(jiǎn)單的樣品制備就可以方便得獲取單根納米線的定量光響應(yīng)，并提取少子壽命，為不同樣品之間甚至同一樣品中個(gè)體之間的差異提供評(píng)估依據(jù)。其次，該方法激發(fā)納米線的功率密度較低，光生載流子的濃度低于IO14cnT3，與時(shí)間分辨光譜方法相比要低3個(gè)量級(jí)，所以不會(huì)改變納米線的電學(xué)狀態(tài)。與此同時(shí)光生載流子的產(chǎn)生和復(fù)合接近平衡態(tài)。這些都接近光電器件工作時(shí)的條件，因而提取到的參數(shù)對(duì)于納米線在光電探測(cè)和太陽(yáng)能收集方面的研究和應(yīng)用具有重要參考價(jià)值。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例中樣品經(jīng)包裹、拋光處理之后的截面SEM圖片。圖2為本發(fā)明對(duì)單根納米線的光電流測(cè)量示意圖，圖中左半部分為對(duì)應(yīng)的能帶示意圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例中單根GaAs納米線不同光激發(fā)功率下的IV曲線。圖4為本發(fā)明實(shí)施例中對(duì)單根GaAs納米線的少子壽命擬合。
具體實(shí)施例方式下面以GaAs納米線為實(shí)施例，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作詳細(xì)說(shuō)明。納米線樣品的制備包括旋涂包裹、烘焙、拋光等步驟。首先通過(guò)機(jī)械旋涂的方法在樣品上表面旋涂一層均勻的聚合物(折射率要低于納米線材料，厚度略高于納米線的高度)；然后對(duì)包裹的樣品進(jìn)行烘焙，使其完全固化；最后通過(guò)拋光減薄的方法去除頂端的包裹物，使得納米線頂端裸露出來(lái)，以達(dá)到測(cè)量的要求。本實(shí)施例中制備好的樣品截面SEM圖片如圖I所不。圖2是本發(fā)明對(duì)單根納米線光電流的測(cè)量示意圖。樣品的襯底或緩沖層如果為η型摻雜，則需要在其側(cè)壁蒸渡Au/Ge/Ni并退火形成歐姆接觸，以作為所有納米線的公共下電極。納米線的上電極(肖特基電極)則通過(guò)導(dǎo)電針尖與納米線頂端橫截面接觸形成。本實(shí)施例中對(duì)單根納米線的電學(xué)測(cè)量采用美國(guó)Veeco公司生產(chǎn)的Multimode Nanoscope IV掃描探針顯微鏡的導(dǎo)電原子力顯微模式，選用金剛石涂層的導(dǎo)電針尖。對(duì)納米線的光激發(fā)宜選取光子能量大于其禁帶寬度的激發(fā)源(激光器、LED等)，其功率的調(diào)節(jié)范圍應(yīng)保證在有效激發(fā)納米線的同時(shí)避免光電流數(shù)值上超出電學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的量程。本實(shí)施例中對(duì)單根GaAs納米線的光電流測(cè)量結(jié)果如圖3所示。暗背景(OyW)下，IV曲線呈現(xiàn)典型的肖特基整流特性，這源自于導(dǎo)電針尖與納米線形成的肖特基電極，整個(gè)系統(tǒng)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。測(cè)量中電壓由下電極施加，故正向偏壓對(duì)應(yīng)于肖特基電極的反偏。值得指出的是隨著光激發(fā)功率的提高，納米線內(nèi)光生載流子的濃度會(huì)隨之增加。因此反偏下肖特基電極收集到的光生少子(空穴)會(huì)顯著增多，最終表現(xiàn)為電流的增大。根據(jù)所測(cè)納米線的摻雜等特性，在避免針尖-納米線肖特基反向擊穿的情況下，測(cè)量時(shí)盡可能使用較寬的偏壓范圍，這樣有利于提高少數(shù)載流子壽命的確定精度對(duì)納米線光電響應(yīng)的擬合可以采用SENTAURUS TCAD軟件進(jìn)行數(shù)值建模，摻雜、尺寸、電極設(shè)置等參照實(shí)驗(yàn)配置，暗背景下電流的量級(jí)水平可以幫助來(lái)確定針尖-納米線肖特基電極的勢(shì)壘高度。圖4為實(shí)施例中對(duì)單根GaAs納米線的少子壽命擬合，2根不同摻雜條件納米線的壽命分別為55ps和0.2ps。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為納米線的凈光生電流數(shù)據(jù)。模擬中通過(guò)調(diào)節(jié)激發(fā)功率和少子壽命兩個(gè)參數(shù)來(lái)進(jìn)行擬合。前者決定了光生電流的量級(jí)；后者為擬合的關(guān)鍵參數(shù)，主導(dǎo)了肖特基電極反偏下光生電流隨電壓的增加趨勢(shì)。以上所述的實(shí)施例僅為了說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想及特點(diǎn)，其目的在于使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，本發(fā)明的范圍不僅局限于上述具體實(shí)施例，即凡依本發(fā)明所揭示的精神所作的同等變化或修飾，仍涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體納米線的少數(shù)載流子壽命檢測(cè)方法，其特征在于包括以下步驟 1)對(duì)待測(cè)納米線或納米線陣列進(jìn)行絕緣支撐； 2)通過(guò)拋光減薄樣品正面的支撐介質(zhì)，使納米線頂端裸露出來(lái)； 3)試樣基片形成歐姆接觸,用來(lái)作為公共下電極； 4)測(cè)量肖特基接觸下單根納米線的光電流-偏壓曲線； 5)建立納米線光電流測(cè)量體系的數(shù)值模型； 6)對(duì)單根納米線肖特基反偏下的光生電流-偏壓曲線進(jìn)行擬合，得出少數(shù)載流子壽命; 7)重復(fù)步驟4)-6)，測(cè)量其它納米線的光電流并擬合得出少數(shù)載流子壽命。
2.如權(quán)利要求書I中所述的一種半導(dǎo)體納米線的少數(shù)載流子壽命檢測(cè)方法，其特征在于在步驟I)中所述的絕緣支撐使用折射率小于納米線材料的聚合物并采用機(jī)械旋涂方法實(shí)現(xiàn)。
3.如權(quán)利要求書I中所述的一種半導(dǎo)體納米線的少數(shù)載流子壽命檢測(cè)方法，其特征在于在步驟4)中所述的測(cè)量單根納米線的光電流-偏壓曲線時(shí)使用導(dǎo)電原子力顯微鏡；利用導(dǎo)電性差異區(qū)分納米線和支撐介質(zhì)；在測(cè)量時(shí)引入外接的光源，使用的激發(fā)光光子能量大于納米線材料的能帶隙。
4.如權(quán)利要求書I中所述的一種半導(dǎo)體納米線的少數(shù)載流子壽命檢測(cè)方法，其特征在于步驟5)中所述的數(shù)值模型中包含了針尖-納米線-基片的能帶結(jié)構(gòu)、摻雜狀況、尺寸等實(shí)際參數(shù)；以光激發(fā)功率和少數(shù)載流子壽命作為可調(diào)參數(shù)對(duì)光電流-電壓曲線進(jìn)行定量擬合，擬合步驟是首先調(diào)節(jié)光激發(fā)功率來(lái)實(shí)現(xiàn)光生電流的匹配，然后調(diào)節(jié)少數(shù)載流子壽命使得計(jì)算的光電流-電壓關(guān)系與實(shí)測(cè)一致，此時(shí)的壽命參數(shù)即為待測(cè)納米線的少數(shù)載流子壽命O
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體納米線中少數(shù)載流子壽命的檢測(cè)方法，該方法首先利用導(dǎo)電掃描探針測(cè)量單根納米線肖特基反偏下的光激發(fā)電流響應(yīng)，然后利用數(shù)值模型對(duì)光電流-偏壓曲線進(jìn)行定量擬合，確定半導(dǎo)體納米線中的少數(shù)載流子壽命。本方法適用于外延和刻蝕等方法制備的納米線樣品中單納米線載流子動(dòng)力學(xué)特性的測(cè)定，并且本方法使用了較低的光激發(fā)強(qiáng)度，更接近納米線在光電器件中的工作狀態(tài)，因而對(duì)于分析、評(píng)估納米線及其光電器件的核心性能有重要價(jià)值。
文檔編號(hào)G01R31/26GK102621465SQ201210072969
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月19日
發(fā)明者夏輝, 姚碧霂, 李天信, 胡偉達(dá), 陸衛(wèi), 黃文超 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所