CN102621465B - 半导体纳米线少数载流子寿命的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体纳米线中少数载流子寿命的检测方法，该方法首先利用导电扫描探针测量单根纳米线肖特基反偏下的光激发电流响应，然后利用数值模型对光电流-偏压曲线进行定量拟合，确定半导体纳米线中的少数载流子寿命。本方法适用于外延和刻蚀等方法制备的纳米线样品中单纳米线载流子动力学特性的测定，并且本方法使用了较低的光激发强度，更接近纳米线在光电器件中的工作状态，因而对于分析、评估纳米线及其光电器件的核心性能有重要价值。

Description

半导体纳米线少数载流子寿命的检测方法

技术领域

本发明涉及低维结构半导体材料的检测，具体是指一种半导体纳米线少数载流子寿命的新型测量方法。

背景技术

半导体纳米线因其独特的结构和光电特性，在光电探测和太阳能收集领域获得了广泛的关注。少数载流子寿命(以下简称少子寿命)是决定器件光电性能的主要因素。纳米线由于具有很高的表面-体积比，使得表面散射对其少子寿命的影响显著，这与体材料具有很大的差异。因此对单根纳米线寿命的提取，对于其材料特性优化及器件的性能提升和应用有十分积极的意义。

而到目前为止，发展的对于半导体纳米线等低维结构载流子、激子寿命的表征手段则主要包括太赫兹时间分辨光谱和时间分辨光致发光谱。上述这些测量方法首先，考察的是半导体的瞬态光生载流子延迟响应；其次，对单根纳米线少子寿命的测量，往往需要在低温下进行，且对实验设备和测量条件的要求很高；再者，光注入的非平衡载流子浓度可以达到10 ⁷cm^-3，已经有证据显示纳米线中的电学结构会因此改变，导致少子寿命与光强相关，因而不能代表纳米线在光电应用中的状态。

近几年来发展的扫描光电流显微技术可以实现对纳米线中光电流分布的显微二维成像，借此提取纳米线中的少子扩散长度/少子寿命等参数。这类方法的相对不足和局限性在于：1)需要制备单根纳米线器件，工艺要求和成本较高，并且工艺过程如光刻、腐蚀等会造成纳米线光电性能的衰退，导致提取的参数可能背离纳米线的原始属性。2)该方法测量时使用聚焦光斑，光注入形成的载流子浓度高于平衡条件2至3个数量级，因此实际测得的是远离平衡状态少子扩散长度和寿命。3)该方法测量纳米线少子扩散长度的分辨率取决于光斑直径，当待测少子扩散长度接近甚至小于激发光斑尺寸(少子寿命较短)时无能为力。而对于直接带隙半导体纳米结构，其少子寿命常常在纳秒甚至皮秒水平，扩散长度短至数百至数十纳米。为此在接近准平衡态、低光激发功率密度等光电器件工作条件下的少子寿命提取具有十分重要的意义。

本发明基于对单根纳米线的光电流测量，并与数值模拟结合提取单根纳米线的少子寿命。

发明内容

本发明是针对现有分析技术的不足，提供一种适用于半导体纳米线的光电子学检测方法。对分子束外延生长或者刻蚀得到的竖直纳米线阵列即可进行表征，纳米线需要有掺杂衬底或者掺杂缓冲层。本方法在获取单根半导体纳米线定量光激发电流的同时，可以提取到其中的少子寿命。本发明的依据是肖特基电极反偏下，半导体纳米线的光电流随偏压的增长趋势取决于肖特基势垒宽度和少子扩散长度的相对大小。其中肖特基势垒的宽度由纳米线本身的掺杂、电极特性等决定，对偏压有固定的依赖关系；而少子扩散长度则由少子寿命决定，其变化会直接反映到纳米线的光电响应当中。因此通过建立基于纳米线实际能带结构、掺杂、尺寸、电极等特性的数值模型，定量拟合实验上表征到的光电流曲线，可以获取单根纳米线的少子寿命。

本方法首先是纳米线样品的制备和单根纳米线光电流的测量。采用机械旋涂的方法，在纳米线样品上均匀得旋涂一层聚合物。然后对样品进行烘焙固化，最终通过抛光减薄的方法使得纳米线的顶端裸露出来，以达到测量的要求。对纳米线的光电流测量一方面选取稳定的外接光源来激发纳米线，要求功率可调且光子能量要大于纳米线的禁带宽度；另一方面对单根纳米线的电学测量则依靠导电原子力显微镜。在对纳米线样品上表面的扫描过程中，借助于半导体与周围聚合物的导电性差异来定位单根纳米线，进而完成电流特性的测量。

其次建立基于实验配置(纳米线能带结构、掺杂、尺寸及考虑测量中导电针尖与半导体纳米线形成的肖特基接触)的数值模型，定量拟合光电流实验曲线。建模采用商用化软件，纳米线实验上的暗电流水平可以帮助确定针尖—纳米线肖特基电极的势垒高度。单根半导体纳米线的载流子寿命可以通过定量拟合光生电流获取，在这个过程中，仅将光激发功率和少子寿命设置为两个可调的参数。其中光激发功率决定了光电流的量级，而少子寿命则是定量拟合的关键参数，因为它主导了肖特基反偏下光电流随偏压的增长趋势。

本发明的优势首先体现在通过简单的样品制备就可以方便得获取单根纳米线的定量光响应，并提取少子寿命，为不同样品之间甚至同一样品中个体之间的差异提供评估依据。其次，该方法激发纳米线的功率密度较低，光生载流子的浓度低于10¹⁴cm^-3，与时间分辨光谱方法相比要低3个量级，所以不会改变纳米线的电学状态。与此同时光生载流子的产生和复合接近平衡态。这些都接近光电器件工作时的条件，因而提取到的参数对于纳米线在光电探测和太阳能收集方面的研究和应用具有重要参考价值。

附图说明

图1为本发明实施例中样品经包裹、抛光处理之后的截面SEM图片。

图2为本发明对单根纳米线的光电流测量示意图，图中左半部分为对应的能带示意图。

图3为本发明实施例中单根GaAs纳米线不同光激发功率下的IV曲线。

图4为本发明实施例中对单根GaAs纳米线的少子寿命拟合。

具体实施方式

下面以GaAs纳米线为实施例，结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

纳米线样品的制备包括旋涂包裹、烘焙、抛光等步骤。首先通过机械旋涂的方法在样品上表面旋涂一层均匀的聚合物(折射率要低于纳米线材料，厚度略高于纳米线的高度)；然后对包裹的样品进行烘焙，使其完全固化；最后通过抛光减薄的方法去除顶端的包裹物，使得纳米线顶端裸露出来，以达到测量的要求。本实施例中制备好的样品截面SEM图片如图1所示。

图2是本发明对单根纳米线光电流的测量示意图。样品的衬底或缓冲层如果为n型掺杂，则需要在其侧壁蒸渡Au/Ge/Ni并退火形成欧姆接触，以作为所有纳米线的公共下电极。纳米线的上电极(肖特基电极)则通过导电针尖与纳米线顶端横截面接触形成。本实施例中对单根纳米线的电学测量采用美国Veeco公司生产的Multimode Nanoscope IV扫描探针显微镜的导电原子力显微模式，选用金刚石涂层的导电针尖。对纳米线的光激发宜选取光子能量大于其禁带宽度的激发源(激光器、LED等)，其功率的调节范围应保证在有效激发纳米线的同时避免光电流数值上超出电学测量系统的量程。

本实施例中对单根GaAs纳米线的光电流测量结果如图3所示。暗背景(0μW)下，IV曲线呈现典型的肖特基整流特性，这源自于导电针尖与纳米线形成的肖特基电极，整个系统的能带结构示意图见图2。测量中电压由下电极施加，故正向偏压对应于肖特基电极的反偏。值得指出的是：随着光激发功率的提高，纳米线内光生载流子的浓度会随之增加。因此反偏下肖特基电极收集到的光生少子(空穴)会显著增多，最终表现为电流的增大。根据所测纳米线的掺杂等特性，在避免针尖－纳米线肖特基反向击穿的情况下，测量时尽可能使用较宽的偏压范围，这样有利于提高少数载流子寿命的确定精度。

对纳米线光电响应的拟合可以采用SENTAURUS TCAD软件进行数值建模，掺杂、尺寸、电极设置等参照实验配置，暗背景下电流的量级水平可以帮助来确定针尖—纳米线肖特基电极的势垒高度。

图4为实施例中对单根GaAs纳米线的少子寿命拟合，2根不同掺杂条件纳米线的寿命分别为55ps和0.2ps。实验结果为纳米线的净光生电流数据。模拟中通过调节激发功率和少子寿命两个参数来进行拟合。前者决定了光生电流的量级；后者为拟合的关键参数，主导了肖特基电极反偏下光生电流随电压的增加趋势。

以上所述的实施例仅为了说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的范围不仅局限于上述具体实施例，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍涵盖在本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于分子束外延生长或者刻蚀得到的竖直半导体纳米线的少数载流子寿命检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)使用折射率小于纳米线材料的聚合物并采用机械旋涂方法对待测纳米线或纳米线阵列进行绝缘支撑；

2)通过抛光减薄样品正面的支撑介质，使纳米线顶端裸露出来；

3)试样基片形成欧姆接触，用来作为公共下电极；

4)测量肖特基接触下单根纳米线的光电流-偏压曲线；

5)建立纳米线光电流测量体系的数值模型；

6)对单根纳米线肖特基反偏下的光生电流-偏压曲线进行拟合，得出少数载流子寿命；

7)重复步骤4)-6)，测量其它纳米线的光电流并拟合得出少数载流子寿命。

2.如权利要求书1中所述的一种用于分子束外延生长或者刻蚀得到的竖直半导体纳米线的少数载流子寿命检测方法，其特征在于：在步骤4)中所述的测量单根纳米线的光电流-偏压曲线时使用导电原子力显微镜；利用导电性差异区分纳米线和支撑介质；在测量时引入外接的光源，使用的激发光光子能量大于纳米线材料的能带隙。

3.如权利要求书1中所述的一种用于分子束外延生长或者刻蚀得到的竖直半导体纳米线的少数载流子寿命检测方法，其特征在于：步骤5)中所述的数值模型中包含了针尖-纳米线-基片的能带结构、掺杂状况、尺寸实际参数；以光激发功率和少数载流子寿命作为可调参数对光电流-电压曲线进行定量拟合，拟合步骤是首先调节光激发功率来实现光生电流的匹配，然后调节少数载流子寿命使得计算的光电流-电压关系与实测一致，此时的寿命参数即为待测纳米线的少数载流子寿命。