CN106483339A - 半导体材料表面微区光电响应测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体材料表面微区光电响应测量装置及测量方法，所述装置包括样品台，用于放置待测样品；原子力显微镜导电探针，与待测样品接触，原子力显微镜导电探针、待测样品及电源形成电学回路；波长连续可调的单色光路系统，使波长连续可调的单色光照射在原子力显微镜导电探针与待测样品接触区域，在待测样品表面激发产生光生载流子；锁相放大器，信号输入端与原子力显微镜导电探针电连接，用于测量原子力显微镜导电探针获得的光电信号；电源通过原子力显微镜导电探针向待测样品表面施加偏压，待测样品表面光生载流子在偏压的影响下，形成光电信号，原子力显微镜导电探针收集光电信号并将光电信号传导至锁相放大器，以获得光电响应特性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体测量领域，尤其涉及一种半导体材料表面微区光电响应测量装置及测量方法。
背景技术
在半导体材料中，各种缺陷引起的陷阱态能级和载流子捕获中心是影响光电器件性能的重要因素。例如用于紫外探测器的氮化镓基材料中，杂质原子以及缺陷引起的陷阱态能级，会使得光生载流子在缺陷中心附近被捕获而无法到达电极转换为电压或电流信号，从而影响探测器的性能。因此，测量这些微区缺陷的光电响应特性，获得其对载流子的影响和相应的能级信息，对于半导体材料和光电器件研究具有重要的意义。
目前测量光电响应的方法是宏观的测量方法，首先在待测样品上制作有较大的电极，然后通过波长连续可调的单色光照射样品表面激发出电子-空穴对，电子-空穴对在外加电场或内建电场的作用下分离，并运动至电极处被收集，形成光电压或光生电流被测量，通过改变波长，测量光电压或光电流随着波长的变化，可获得光谱响应曲线。通过光谱响应曲线，可分析材料能态信息和缺陷信息。这种光电响应测量方法被广泛的应用于光伏电池、光电探测器以及半导体光电材料的性能分析。然而，这种光电响应测量方法只能得到材料或器件宏观的平均效应，无法获得微区的信息，无法得到光电响应特性和材料微观结构（例如位错等）直接关联，无法直接获得缺陷结构对载流子的影响和相应的能级信息。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种半导体材料表面微区光电响应测量装置及测量方法，其能够解决现有技术中对测量半导体材料表面光电响应无法获得微区信息的弊端，并能够屏蔽电学杂散信号的影响，提供较优的信噪比。
为了解决上述问题，本发明提供了一种半导体材料表面微区光电响应测量装置，包括：一样品台，用于放置待测样品；一原子力显微镜导电探针，用于与待测样品接触，以使所述原子力显微镜导电探针、待测样品及一电源形成一电学回路；一波长连续可调的单色光路系统，用于使波长连续可调的单色光照射在原子力显微镜导电探针与待测样品的接触区域，以在待测样品表面激发产生光生载流子；一锁相放大器，所述锁相放大器的信号输入端与所述原子力显微镜导电探针电连接，用于测量所述原子力显微镜导电探针获得的光电信号；所述电源通过所述原子力显微镜导电探针向待测样品表面施加一偏压，待测样品表面的光生载流子在所述偏压的影响下形成光电信号，所述原子力显微镜导电探针收集所述光电信号并将所述光电信号传导至锁相放大器，以获得待测样品表面微区光电响应特性。
进一步，所述测量装置还包括可与待测样品表面配合的电极，所述电源一端与所述原子力显微镜导电探针电连接，另一端与所述电极电连接或与所述样品台电连接，所述样品台为导电样品台。
进一步，所述电源为直流电压源。
进一步，所述直流电压源的电压范围为0.1V~10V。
进一步，所述波长连续可调的单色光路系统包括光源、斩波器、反射镜、透镜以及光纤。所述斩波器用于将连续单色光线变为一定频率的不连续光线，所述反射镜和透镜以及光纤用来将光线导引至待测样品表面，在原子力显微镜导电探针与待测样品接触区域形成光斑。
进一步，所述光源由宽光谱光源和分光系统组成，所述宽光谱光源的波长范围为180nm~1500nm。
进一步，所述分光系统是光栅单色仪或滤光镜。
本发明还提供一种采用权利要求1所述的半导体材料表面微区光电响应测量装置测量半导体材料表面微区光电响应的方法，包括如下步骤：
（1）将待测样品置于所述样品台上，并位于所述样品台与所述原子力显微镜导电探针之间，所述原子力显微镜导电探针与所述待测样品接触，所述原子力显微镜导电探针、待测样品及所述电源形成一电学回路；
（2）使用所述波长连续可调的单色光路系统将单色光照射在所述原子力显微镜导电探针与待测样品的接触区域，以在待测样品表面激发产生光生载流子；
（3）使所述电源通过所述原子力显微镜导电探针向待测样品表面施加一偏压，以使待测样品表面的光生载流子在所述偏压的影响下，形成光电信号；
（4）所述原子力显微镜导电探针收集所述光电信号并将所述光电信号传导至所述锁相放大器；
（5）所述锁相放大器测量所述光电信号，获得待测样品表面微区光电响应特性。
进一步，在步骤（5）后，通过所述波长连续可调的单色光路系统改变单色光波长，再重复步骤（3）~（5）。
进一步，所述测量装置还包括可与待测样品表面配合的电极，所述电源一端与所述原子力显微镜导电探针电连接，另一端与所述电极电连接或与所述样品台电连接，所述样品台为导电样品台。
本发明的优点在于，利用原子力显微镜导电探针作为电极直接与样品表面接触，探测局域的光电响应信号。通过波长连续可调的单色光照射待测样品激发出电子-空穴对，这些光生载流子在电场的作用下漂移至样品表面形成光电压，其中一部分载流子在漂移过程中会被缺陷能级所捕获，导致局域的表面光电压发生变化。通过导电探针测量测量微区的光电响应信号，可获得局域的光电响应特性。通过局域的光电响应特性与原子力显微镜扫描探针扫描得到的表面三维形貌信息相对应，可分析并获知表面的能态信息与缺陷等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
图1是本发明半导体材料表面微区光电响应测量装置的结构示意图；
图2是本发明半导体材料表面微区光电响应测量方法的步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的半导体材料表面微区光电响应测量装置及测量方法的具体实施方式做详细说明。
参见图1，本发明半导体材料表面微区光电响应测量装置包括样品台1、原子力显微镜导电探针2、波长连续可调的单色光路系统3及锁相放大器4。
所述样品台1用于放置待测样品5，在本具体实施方式中，所述样品台1为三维样品台，除用于放置待测样品5外，还可以移动待测样品5。
所述原子力显微镜导电探针2与所述待测样品5接触。在本具体实施方式中，所述原子力显微镜导电探针2包括悬臂梁21及悬臂梁21端部的针尖22。所述悬臂梁21与一外部控制装置（附图中未标示）连接，以控制所述原子力显微镜导电探针2的移动。所述针尖22与待测样品5接触。
所述原子力显微镜导电探针2、所述待测样品5及一电源（附图中未标示）形成一电学回路。在本具体实施方式中，所述待测样品5设置有一电极51，所述电极51可设置在待测样品5的表面，所述原子力显微镜导电探针2的针尖22、所述待测样品5的电极51及电源通过导线连接，形成电学回路，所述电源通过所述针尖22施加一偏压至所述待测样品5的表面。
进一步，所述电源一端与所述原子力显微镜导电探针2电连接，另一端与所述样品台1电连接，所述样品台1为导电样品台，也可组成电学回路，使得所述电源通过所述原子力显微镜导电探针2施加一偏压至所述待测样品5的表面。进一步，所述电源可以为直流电压源，所述直流电压源的电压范围为0.1V~10V。
所述波长连续可调的单色光路系统3使单色光照射在原子力显微镜导电探针2与待测样品5接触区域，以在待测样品5表面激发产生光生载流子。进一步，所述波长连续可调的单色光路系统3包括光源、斩波器、反射镜、透镜以及光纤。所述斩波器用于将连续单色光线变为一定频率的不连续光线，所述反射镜和透镜以及光纤用来将光线导引至待测样品表面，在原子力显微镜导电探针与待测样品接触区域形成光斑。进一步，所述光源由宽光谱光源和分光系统组成，所述宽光谱光源的波长范围为180nm~1500nm，所述分光系统可以是光栅单色仪或滤光镜。
在本具体实施方式中，依照光路，波长连续可调的单色光路系统3依次设置有宽光谱光源31、光栅单色仪32、第一透镜33、斩波器34、反射镜35和第二透镜36。所述宽光谱光源31和光栅单色仪32相连，用来产生波长连续可调的单色光；第一透镜33设置在光栅单色仪32之后，用来将光栅单色仪32出口处的单色光变为平行光；斩波器34设置在第一透镜33之后，对光线进行斩波调制，将连续光照变为周期性光照；反射镜35和第二透镜36用于将光线变为会聚光线37聚焦在针尖22下方待测样品5表面处。
光生载流子在针尖22下方的内建电场或外加电场作用下漂移至针尖22处，形成周期光生电压或电流，被所述原子力显微镜导电探针2探测。内建电场是半导体表面由于能带弯曲形成的，是半导体自身的性质所决定的，只利用内建电场也可实现光生载流子的移动，但根据不同的测量需求，优选地，通过外设电源对待测样品施加电压，实现光生载流子的移动对测量也很重要。
所述锁相放大器4信号输入端与所述原子力显微镜导电探针2电连接，用于测量所述原子力显微镜导电探针2获得的光电信号，所述光电信号可以为光电压信号或光电流信号。进一步，所述锁相放大器4信号输入端In与所述原子力显微镜导电探针2及电极51电连接，参考信号端Ref与斩波器34的控制器连接。
本发明半导体材料表面微区光电响应测量装置的电源通过所述原子力显微镜导电探针2向所述待测样品5表面施加一偏压，待测样品5表面的光生载流子在所述偏压的影响下，形成光电信号，所述原子力显微镜导电探针2收集所述光电信号并将所述光电信号传导至锁相放大器4，以获得半导体材料表面微区光电响应特性。
原子力显微镜是一种表征材料纳米尺度表面性质的重要工具。原子力显微镜一般使用尖端曲率半径为数十纳米的探针与待测样品表面接触，采用针尖与样品之间的作用力作为反馈信号，通过调节针尖和样品之间距离使得作用力保持恒定，然后通过控制探针在样品表面扫描即可获得表面三维形貌信息。
本发明采用原子力显微镜导电探针，将针尖作为一个电极，通过在样品上制作另外一个电极，即可通过外部电路测量样品表面针尖接触区域的电学特性；进一步的，探针在扫描形貌的过程中同时加电压测量不同位置的电流，即可获得具有纳米尺度分别率的局域电学特性。
参见图2，本发明一种采用上述的半导体材料表面微区光电响应测量装置测量半导体材料表面微区光电响应的方法，包括如下步骤：
步骤S20，将待测样品置于所述样品台上，并位于所述样品台与所述原子力显微镜导电探针之间，所述原子力显微镜导电探针与所述待测样品接触。所述原子力显微镜导电探针、所述待测样品及所述电源形成一电学回路。所述待测样品表面具有一电极，所述电源一端与所述原子力显微镜导电探针电连接，另一端与所述电极电连接或与所述样品台电连接，所述样品台为导电样品台。
步骤S21，使用波长连续可调的单色光路系统将波长连续可调的单色光照射在原子力显微镜导电探针与待测样品接触区域，以在待测样品表面激发产生光生载流子。
步骤S22，所述电源通过所述原子力显微镜导电探针向所述待测样品表面施加一偏压，待测样品表面的光生载流子在所述偏压的影响下，形成光电信号。
步骤S23，所述原子力显微镜导电探针收集所述光电信号并将所述光电信号传导至锁相放大器。
步骤S24，所述锁相放大器测量所述光电信号。
步骤S25，通过所述波长连续可调的单色光路系统改变单色光波长，重复步骤S22~步骤S24，获得半导体材料表面微区光电响应特性。通过单色仪改变单色光波长，通过上述步骤测量出光生电压或电流值随波长的关系，获得光电响应谱。
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 (10)
1.一种半导体材料表面微区光电响应测量装置，其特征在于，包括： 一样品台，用于放置待测样品；
一原子力显微镜导电探针，用于与待测样品接触，以使所述原子力显微镜导电探针、待测样品及一电源形成一电学回路； 一波长连续可调的单色光路系统，用于使波长连续可调的单色光照射在原子力显微镜导电探针与待测样品的接触区域，以在待测样品表面激发产生光生载流子；
一锁相放大器，所述锁相放大器的信号输入端与所述原子力显微镜导电探针电连接，用于测量所述原子力显微镜导电探针获得的光电信号；
所述电源通过所述原子力显微镜导电探针向待测样品表面施加一偏压，待测样品表面的光生载流子在所述偏压的影响下形成光电信号，所述原子力显微镜导电探针收集所述光电信号并将所述光电信号传导至锁相放大器，以获得待测样品表面微区光电响应特性。
2.根据权利要求1所述的半导体材料表面微区光电响应测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括可与待测样品表面配合的电极，所述电源一端与所述原子力显微镜导电探针电连接，另一端与所述电极电连接或与所述样品台电连接，所述样品台为导电样品台。
3.根据权利要求1所述的半导体材料表面微区光电响应测量装置，其特征在于，所述电源为直流电压源。
4.根据权利要求1所述的半导体材料表面微区光电响应测量装置，其特征在于，所述直流电压源的电压范围为0.1V~10V。
5.根据权利要求1所述的半导体材料表面微区光电响应测量装置，其特征在于，所述波长连续可调的单色光路系统包括光源、斩波器、反射镜、透镜以及光纤，所述斩波器用于将连续单色光线变为一定频率的不连续光线，所述反射镜和透镜以及光纤用来将光线导引至待测样品表面，在原子力显微镜导电探针与待测样品接触区域形成光斑。
6.根据权利要求5所述的半导体材料表面微区光电响应测量装置，其特征在于，所述光源由宽光谱光源和分光系统组成，所述宽光谱光源的波长范围为180nm~1500nm。
7.根据权利要求6所述的半导体材料表面微区光电响应测量装置，其特征在于，所述分光系统是光栅单色仪或滤光镜。
8.一种采用权利要求1所述的半导体材料表面微区光电响应测量装置测量半导体材料表面微区光电响应的方法，其特征在于，包括如下步骤： （1）将待测样品置于所述样品台上，并位于所述样品台与所述原子力显微镜导电探针之间，所述原子力显微镜导电探针与所述待测样品接触，所述原子力显微镜导电探针、待测样品及所述电源形成一电学回路； （2）使用所述波长连续可调的单色光路系统将单色光照射在所述原子力显微镜导电探针与待测样品的接触区域，以在待测样品表面激发产生光生载流子；
（3）使所述电源通过所述原子力显微镜导电探针向待测样品表面施加一偏压，以使待测样品表面的光生载流子在所述偏压的影响下，形成光电信号； （4）所述原子力显微镜导电探针收集所述光电信号并将所述光电信号传导至所述锁相放大器；
（5）所述锁相放大器测量所述光电信号，获得待测样品表面微区光电响应特性。
9.根据权利要求8所述的测量半导体材料表面微区光电响应的方法，其特征在于，在步骤（5）后，通过所述波长连续可调的单色光路系统改变单色光波长，再重复步骤（3）~（5）。
10.根据权利要求8所述的测量半导体材料表面微区光电响应的方法，其特征在于，所述测量装置还包括可与待测样品表面配合的电极，所述电源一端与所述原子力显微镜导电探针电连接，另一端与所述电极电连接或与所述样品台电连接，所述样品台为导电样品台。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170308 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |