CN102353815B - 材料的表面局域电子态的测量装置以及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种材料的表面局域电子态的测量装置，包括样品台、直流信号发生器、交流信号发生器、可调波长的单色光光源以及镀金属膜的探针；所述样品台是导电的；探针设置在样品台表面，并与样品台保持一距离以放置待测样品；所述直流信号发生器与交流信号发生器的两个输出端中的一个连接在样品台上，另一个连接在探针上；可调波长的单色光光源所发出的光束为聚焦光束，聚焦光束能够聚焦至探针的针尖处。

Description

材料的表面局域电子态的测量装置以及测量方法

技术领域

本发明涉及半导体材料测试技术领域，尤其涉及一种材料的表面局域电子态的测量装置以及测量方法。

背景技术

对于半导体光电器件而言，材料表面悬键、吸附、缺陷、杂质和极性等因素引起的表面电子态对光电转换过程将产生至关重要的影响。例如在太阳光伏器件中，PN结区的光生载流子在内建电场作用下向相反方向运动，最终到达电极，在这个过程中表面电子态对载流子的散射所造成的复合是影响光伏效率的重要因素，调控表面态，抑制表面复合，是提高光伏效率的关键之一。尤其是随着纳米结构在光电器件中的应用，比表面积大大增强，表面电子态对器件性能的影响更加突出。

目前测量表面电子态在能带中位置的方法是表面光电压谱，该方法采用在样品表面制作宏观金属电极，通常需要首先制备一层数纳米的氧化层，然后蒸镀一层数十纳米的金属薄膜电极，使用伏特计测量电极与样品间的接触电势差，采用连续改变频率的激发光测量接触电势差随入射光频率的改变，从而得知表面电子态的信息。但这种方法的样品制备工艺非常复杂，所蒸镀的氧化层和电极可能使得所测得的表面电子态信息不同于裸露的清洁样品表面的电子态，而且金属电极通常是微米至毫米尺度的宏观电极，给出的也是器件的整体平均性能。而随着纳米结构的应用，器件表面的性质并不均匀，迫切需要能直接测量表面纳米尺度的局域表面电子态的方法，与纳米尺度的结构和形貌等信息相对应，从而有助于理解表面态电子的来源和研究对其调控的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种材料的表面局域电子态的测量装置以及测量方法，能够直接测量表面纳米尺度的局域表面电子态。

为了解决上述问题，本发明提供了一种材料的表面局域电子态的测量装置，包括样品台、直流信号发生器、交流信号发生器、可调波长的单色光光源以及镀金属膜的探针；所述样品台是导电的；探针设置在样品台表面，并与样品台保持一距离以放置待测样品；所述直流信号发生器与交流信号发生器的两个输出端中的一个连接在样品台上，另一个连接在探针上；可调波长的单色光光源所发出的光束为聚焦光束，聚焦光束能够聚焦至探针的针尖处。

本发明进一步提供了一种采用上述的装置来测量材料的表面局域电子态的方法，包括：(a)将一待测样品放置在样品台与探针之间；(b)使探针的针尖与待测样品的表面保持一距离；(c)将可调波长的单色光光源发出的一束单色光照射到探针的针尖前端；(d)在探针的针尖和样品之间施加一交流电信号，并探测探针的振幅；(e)在探针的针尖和样品之间施加一直流补偿电压，并调节补偿电压值使探针的振幅为零，此补偿电压即为探针的针尖和样品的间接触电势差；(f)多次改变步骤(c)中可调波长的单色光光源发出的单色光的波长，每次改变波长后，重复步骤(d)和(e)，测量此波长下针尖和样品之间的接触电势差，从而获得接触电势差随波长的变化曲线，即测量到的局域表面光电压谱。

原子力显微镜是一种纳米尺度表面性质的重要表征工具，其通常使用尖端曲率半径为几十纳米的探针，将其逼近到样品表面，由于探针与样品之间的原子间相互作用力使得探针悬梁臂产生形变，采用光杠杆测量探针形变，并利用反馈运算使得探针与样品间相互作用力恒定，然后针尖在表面扫描就可以获得表面三维形貌，分辨率可到达纳米尺度。在此基础上如采用导电针尖，可测量电场力、磁场力等局域作用力信号，从而探测表面的局域电场、磁场等。

本发明即利用导电探针作为纳米电极，测量针尖与探针间的接触电势差随单色光频率变化，从而表征表面电子态在能带中的位置和类型。该方法可直接测量裸露的清洁样品表面，空间分辨率可达到几纳米～几十纳米，远高于通常的表面光电压谱方法，而且无需采用复杂的微加工工艺制作电极。

进一步地，采用原子力显微镜探针扫描得到的表面三维形貌信息对应，可获知表面电子态与纳米结构之间的对应关系，解决半导体纳米材料和器件测量中的关键技术问题。

附图说明

附图1所示是本发明具体实施方式所述材料的表面局域电子态的测量装置的结构示意图。

附图2所示附图1所示装置用于p型掺杂的氮化镓(GaN)表面所得到的光电压谱的典型实验结果。

附图3A、3B和3C是根据附图2的结果对表面电子态进行分析的能带图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的一种材料的表面局域电子态的测量装置以及测量方法的具体实施方式做详细说明。

附图1所示是本发明具体实施方式所述装置的结构示意图，包括：样品台、直流信号发生器、交流信号发生器、可调波长的单色光光源以及镀金属膜的探针。

所述探针包括一悬臂梁以及设置在悬臂梁端部的针尖，所述针尖向外探出，针尖在样品台表面垂直投影点的位置在悬臂梁在样品台表面垂直投影面的范围之外。这样是为了避免针尖对光路的遮挡，故采用此针尖位于悬梁臂最前端并斜向前伸出的探针结构。本具体实施方式进一步采用原子力显微镜探针，并与一原子力显微镜控制装置连接，其优点在于，可以与原子力显微镜探针扫描得到的表面三维形貌信息对应，以获知表面电子态与纳米结构之间的对应关系，解决半导体纳米材料和器件测量中的关键技术问题。

所述样品台是导电的，探针设置在样品台表面，并与样品台保持一距离以放置待测样品。所述直流信号发生器与交流信号发生器的两个输出端中的一个连接在样品台上，另一个连接在探针上。交流信号发生器用于在针尖和样品之间施加一定频率和振幅的交流电信号，如针尖和样品之间存在电势差，则其引起的电场力将引起针尖发生同频率的机械振动。直流信号发生器用于在针尖和样品之间形成一补偿电压来补偿针尖和样品之间存在电势差。

可调波长的单色光光源包括一150W或450W的氙气灯，氙气灯发出的白光通过单色仪分光后得到单色光，该单色光可通过转动单色仪的光栅联系改变波长，范围为200-2000nm。将该单色光经过斩波器后，耦合进入石英光纤并导至准直镜，将准直后的光束通过物镜聚焦在原子力显微镜的金属镀膜针尖前端。5)通过转动单色仪的光栅改变入射光的波长。可调波长的单色光光源所发出的光束为聚焦光束，聚焦光束能够聚焦至探针的针尖处。斩波器为可选部件，用于对发出的光束进行调制，观察光电压谱随开关周期的变化，以分析被测样品的表面局域电子态寿命，如不测量电子态寿命，则关闭斩波器，光束直接从单色仪耦合进入光纤。

本装置可以进一步包括一探针控制器(未图示)，所述探针控制器与探针连接，控制探针在沿着与样品台表面平行的方向上做二维移动，并记录探针的位置，该装置主要用于测量光电压谱的位置分布图。

采用附图1所示装置测量材料的表面局域电子态的方法具体步骤如下。

1)将一待测样品放置在样品台与探针之间，并使探针的针尖与待测样品的表面保持一距离。

2)将可调波长的单色光光源发出的一束单色光聚焦到探针的针尖前端。

3)通过转动单色仪的光栅改变入射光的波长，例如波长扫描范围设定为200-600nm，从长波长扫描至短波长，每步波长减小1nm，则初始时将入射单色光波长设置为600nm，随后每测量一次接触电势差，波长减小1nm。

4)测量针尖和样品之间的接触电势差，本步骤进一步包括：

4.1)针尖和样品接触，获得表面形貌。

4.2)将针尖抬高，使其和样品之间保持一定间距(1-100nm)

4.3)在针尖和样品之间施加一定频率f和振幅A的交流电信号，频率宜选取所用针尖的共振频率，通常在10K～500K之间，振幅的峰峰值范围为0.1～10V。施加该交流电信号后，如针尖和样品之间存在电势差，则其引起的电场力将引起针尖发生同频率的机械振动。

4.4)通过锁相放大器探测频率与交流电信号相同的针尖机械振动信号，获得振动的振幅。

4.5)如针尖振动振幅不为零，则循环反馈调整针尖和样品补偿的直流电压值，直至针尖振动振幅为零。

4.6)使针尖振动振幅为零的直流电压值输出为当前单色光波长激发下测量到的针尖和样品间接触电势差。

5)按步骤3)设定的扫描范围和步长，在每个波长下实施步骤4)，改变激发波长并测量接触电势差，直至波长扫描结束，则可输出接触电势差随波长的变化曲线，即测量到的局域表面光电压谱。

如需要光电压谱的位置分布图，则改变针尖位置，重复步骤3)至5)，获得相应位置的光电压谱，从而得到光电压谱的位置分布图。

如需要分析电子态寿命，则改变斩波器的周期，重复步骤3)至5)，观察光电压谱随开关周期的变化。

上述方法中，导电探针作为纳米电极，测量针尖与探针间的接触电势差随单色光频率变化，从而表征表面电子态在能带中的位置和类型。该方法可直接测量裸露的清洁样品表面，空间分辨率可达到几纳米至几十纳米，远高于通常的表面光电压谱方法，而且无需采用复杂的微加工工艺制作电极。

附图2所示是上述方法用于p型掺杂的氮化镓(GaN)表面所得到的光电压谱的典型实验结果，附图3A、3B和3C是根据附图2的结果对表面电子态进行分析的能带图。图2中左下角为原子力显微镜获得的三维形貌图像，白色十字叉为采集光电压谱的位置。光电压谱横坐标根据单色光波长换算为光子能量，入射光波长的扫描方向从长波长到短波长，对应光子能量从低到高，在谱线上可看到三个明显的拐点，2.10eV，2.96eV和3.38eV。

在2.10eV至2.96eV之间，表面电势差的绝对值逐渐减小，其所代表的表面电子态如图3A所示为施主能级，当光子能量等于表面电子态到导带距离时，产生共振激发，将表面电子激发到导带，从而在表面聚集正电荷，表面耗尽层负电荷增加，使得表面能带弯曲程度减小，样品和针尖之间的接触电势差绝对值减小。这类施主形式的表面电子态分布在距离导带2.10eV至2.96eV之间。

在2.96eV至3.38eV之间，表面电势差的绝对值逐渐增大，其所代表的表面电子态如图3B所示为受主能级，当光子能量等于价带到表面电子态距离时，产生共振激发，将价带电子激发到表面态，从而在表面聚集负电荷，从而使得样品和针尖之间的接触电势差绝对值增加。这类施主形式的表面电子态分布在距离价带2.96eV至3.38eV之间。

在高于3.38eV的激发时，表面电势差的绝对值迅速增大，其所代表的过程如图3C所示。由于氮化镓的禁带宽度约为3.4eV，这时入射光子能量引起表面附近的载流子的带边激发，产生电子空穴对，大量电子被激发到导带，并在表面能带弯曲引起的电场作用下富集到表面。而空穴则与表面耗尽层的负电荷复合，从而使得表面耗尽层的负电荷减少，能带弯曲程度减小，接触电势差绝对值增加。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种材料的表面局域电子态的测量装置，其特征在于，包括样品台、直流信号发生器、交流信号发生器、可调波长的单色光光源以及镀金属膜的探针；所述样品台是导电的；探针设置在样品台表面，并与样品台保持一距离以放置待测样品；所述直流信号发生器与交流信号发生器的两个输出端中的一个连接在样品台上，另一个连接在探针上；可调波长的单色光光源所发出的光束为聚焦光束，聚焦光束能够聚焦至探针的针尖处，所述探针包括一悬臂梁以及设置在悬臂梁端部的针尖，所述针尖与本体之间具有一弯折部，所述弯折部的角度大于九十度，以使针尖在样品台表面垂直投影点的位置在悬臂梁在样品台表面垂直投影面的范围之外，所述交流信号发生器用于在针尖和样品之间施加一定频率和振幅的交流电信号，所述交流信号的频率选取所述针尖的共振频率。

2.根据权利要求1所述的材料的表面局域电子态的测量装置，其特征在于，所述探针是原子力显微镜探针，并与一原子力显微镜控制装置连接。

3.根据权利要求1所述的材料的表面局域电子态的测量装置，其特征在于，进一步包括一探针控制器，所述探针控制器与探针连接，控制探针在沿着与样品台表面平行的方向上做二维移动，并记录探针的位置。

4.根据权利要求1所述的材料的表面局域电子态的测量装置，其特征在于，单色光光源中设置一斩波器，对发出的光束进行调制。

5.一种采用权利要求1所述的装置来测量材料的表面局域电子态的方法，其特征在于，包括：

（a）将一待测样品放置在样品台与探针之间；

（b）使探针的针尖与待测样品的表面保持一距离；（c）将可调波长的单色光光源发出的一束单色光聚焦到探针的针尖前端，所述探针包括一悬臂梁以及设置在悬臂梁端部的针尖，所述针尖与本体之间具有一弯折部，所述弯折部的角度大于九十度，以使针尖在样品台表面垂直投影点的位置在悬臂梁在样品台表面垂直投影面的范围之外；

（d）在探针的针尖和样品之间施加一交流电信号，并探测探针的振幅，所述交流电信号的频率选取所述针尖的共振频率；

（e）在探针的针尖和样品之间施加一直流补偿电压，并调节补偿电压值使探针的振幅为零，此补偿电压即为探针的针尖和样品间的接触电势差；

（f）多次改变步骤（c）中可调波长的单色光光源发出的单色光的波长，每次改变波长后，重复步骤（d）和（e），测量此波长下针尖和样品之间的接触电势差，从而获得接触电势差随波长的变化曲线，即测量到的局域表面光电压谱。

6.根据权利要求5所述的测量材料的表面局域电子态的方法，其特征在于，进一步包括如下步骤：

（g）改变探针在待测样品表面的位置，重复实施步骤（c）至（f），以获得样品表面光电压谱的位置分布图。

7.根据权利要求5所述的测量材料的表面局域电子态的方法，其特征在于，在步骤（c）中，单色光通过一斩波器照射到探针的针尖前端。

8.根据权利要求7所述的测量材料的表面局域电子态的方法，其特征在于，进一步包括如下步骤：

（h）改变斩波器的周期，重复步骤（c）至（f），观察光电压谱随开关周期的变化来分析样品的表面局域电子态寿命。