CN107037284B - 测量以半导体为衬底的石墨烯微区迁移率的方法 - Google Patents

测量以半导体为衬底的石墨烯微区迁移率的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107037284B
CN107037284B CN201710197142.5A CN201710197142A CN107037284B CN 107037284 B CN107037284 B CN 107037284B CN 201710197142 A CN201710197142 A CN 201710197142A CN 107037284 B CN107037284 B CN 107037284B
Authority
CN
China
Prior art keywords
graphene
microcell
mobility
semiconductor
probe
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710197142.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107037284A (zh
Inventor
钟海舰
刘争晖
徐耿钊
徐科
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Original Assignee
Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS filed Critical Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority to CN201710197142.5A priority Critical patent/CN107037284B/zh
Publication of CN107037284A publication Critical patent/CN107037284A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107037284B publication Critical patent/CN107037284B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

本发明提供一种测量以半导体为衬底的石墨烯微区迁移率的方法，包括步骤：在半导体衬底表面覆盖石墨烯以形成石墨烯微区，并配置与石墨烯微区接触的导电探针；将导电探针与扫描开尔文探针力显微镜连接，以测量石墨烯微区的实际功函数，从而获得石墨烯微区与半导体衬底之间的势垒高度φBn0；将导电探针与导电原子力显微镜连接，以采集石墨烯微区的电流‑电压曲线；根据石墨烯微区与半导体衬底之间的势垒高度φBn0以及热电子发射模型对电流‑电压曲线进行分析拟合，得到导电探针与石墨烯微区的有效接触半径；根据导电针尖与石墨烯微区的有效接触半径以及实际接触半径，计算石墨烯微区迁移率μ的值。本发明可实现以任意半导体为衬底的石墨烯微区迁移率的测量。

Description

测量以半导体为衬底的石墨烯微区迁移率的方法
技术领域
本发明涉及石墨烯微区迁移率测量领域，尤其涉及一种测量以半导体为衬底的石墨烯微区迁移率的方法。
背景技术
石墨烯迁移率的大小可直接评价石墨烯基器件和电路的工作频率与速度。石墨烯迁移率的常规测量方法是，将石墨烯覆盖于二氧化硅绝缘衬底上，利用霍尔效应方法进行测量。但是，在实际石墨烯与半导体构建的器件应用研究中，发现石墨烯迁移率易受衬底影响。为了尽可能正确的获得石墨烯真实的迁移率，通常人们采用将石墨烯铺在对石墨烯迁移率影响较小的hBN衬底上，因hBN与石墨烯晶格失配仅为1.8％。或者，将石墨烯悬空进行迁移率测量。但是，在实际的应用中，石墨烯的衬底并不限于hBN，大多数情况下，石墨烯并不处于悬空状态，因此，当石墨烯与半导体集成构建的微纳电子和光电子器件中，石墨烯迁移率受半导体的影响将不可避免。而随着器件的集成化和小型化趋势，利用前述宏观方法测量得到的迁移率与石墨烯在具体器件的应用过程中的迁移率不尽相同。因此，迫切需要针对不同的器件，可对石墨烯在微区范围内迁移率的进行测量，实现准确评价器件性能的方法，为深入探索石墨烯纳米器件的电学特性，预测器件性能提供技术基础。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种测量以半导体为衬底的石墨烯微区迁移率的方法，其可在不破坏原有器件结构和性能的情况下，获得石墨烯微区实际迁移率。
为了解决上述问题，本发明提供了一种测量以半导体为衬底的石墨烯微区迁移率的方法，包括如下步骤：在半导体衬底表面覆盖石墨烯以形成石墨烯微区，并配置与所述石墨烯微区接触的导电探针；将所述导电探针与扫描开尔文探针力显微镜连接，以测量石墨烯微区的实际功函数，从而获得所述石墨烯微区与半导体衬底之间的势垒高度φBn0；将所述导电探针与导电原子力显微镜连接，以采集所述石墨烯微区的电流-电压曲线；根据所述石墨烯微区与半导体衬底之间的势垒高度φBn0以及热电子发射模型对所述电流-电压曲线进行分析拟合，得到所述导电探针与石墨烯微区的有效接触半径；根据所述导电探针与石墨烯微区的有效接触半径以及实际接触半径，计算所述石墨烯微区迁移率μ的值。
进一步，还包括在所述半导体衬底上制作欧姆接触电极，并将所述扫描开尔文探针力显微镜及导电原子力显微镜分别与所述欧姆接触电极连接
进一步，将所述石墨烯微区的实际功函数与本征石墨烯的功函数进行比较，得到石墨烯微区的费米能级的移动量及石墨烯的载流子浓度n，从而利用能带结构计算出所述石墨烯微区与半导体衬底之间的势垒高度φBn0。
进一步，通过热电子发射模型公式对电流-电压曲线进行分析拟合，得到导电探针与石墨烯微区的有效接触面积A，进而得到有效接触半径，其中，I为流经肖特基结的电流密度，A*为有效理查德常数，T为绝对温度，φBn0为势垒高度，k为玻尔兹曼常数，V为接触处的端电压，η为理想因子，q为电子电量。
进一步，利用赫兹公式获得导电探针与石墨烯微区的实际接触半径，其中r为导电探针与所述半导体衬底的实际接触半径、F为导电探针载荷、R为导电探针曲率半径、Y1、Y2为所述半导体衬底和导电探针的杨氏模量、ν1、ν2为所述半导体衬底和导电探针的泊松比。
进一步，在采用扫描开尔文探针力显微镜测量石墨烯的实际功函数步骤之前，还包括校准导电探针功函数的步骤：利用扫描开尔文探针力显微镜扫描石墨烯微区表面，并根据石墨烯的功函数校准得到导电探针的功函数。
进一步，将所述导电探针与石墨烯微区的有效接触半径减去实际接触半径，得到载流子在石墨烯微区表面的平均自由程l；利用平均自由程l和迁移率μ的关系式可得到迁移率μ的值，其中，n为石墨烯微区的载流子浓度，q为电子电量，h为普朗克常数。
进一步，在半导体衬底表面覆盖石墨烯步骤之前，清洗所述半导体衬底表面。
本发明的优点在于，在不破坏原有器件结构和性能的情况下，可实现以任意半导体为衬底的石墨烯微区迁移率的测量，并同时可获得异质结的电学特性，对石墨烯器件性能进行准确评价，可应用于各种涉及石墨烯器件领域的研究和材料、产品性能检测。
附图说明
图1是本发明测量以半导体为衬底的石墨烯微区迁移率的方法的装置图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的测量以半导体为衬底的石墨烯微区迁移率的方法的具体实施方式做详细说明。
图1是本发明测量以半导体为衬底的石墨烯微区迁移率的方法的装置图。参见图1，本发明测量以半导体为衬底的石墨烯微区迁移率的方法包括如下步骤：
步骤S10、制备样品。
选取需要的半导体衬底1，在半导体衬底1表面设置欧姆接触电极3及覆盖石墨烯2，将扫描开尔文探针力显微镜(KPFM)测量模块4及导电原子力显微镜(CAFM)测量模块 5并联后两端分别与导电探针6及欧姆接触电极3电连接，形成测量回路。
在本具体实施方式中，首先采用半导体常规成熟工艺流程清洗半导体衬底1的表面，获得清洁的半导体衬底表面；其次，在清洗后的半导体衬底1表面利用常规成熟工艺制备欧姆接触电极3；再次，制备欧姆接触电极3后，利用常规机械解理的方式将石墨烯2进行解理，然后将解理好的石墨烯2覆盖于半导体衬底1表面；最后，将扫描开尔文探针力显微镜(KPFM)测量模块4及导电原子力显微镜(CAFM)测量模块5并联后两端分别与导电探针6及欧姆接触电极3电连接，形成测量回路。
步骤S11、采用扫描开尔文探针力显微镜(KPFM)测量石墨烯微区的实际功函数。
采用导电探针6通过扫描开尔文探针力显微镜测量以半导体衬底1为衬底的石墨烯2，获得石墨烯2微区的实际功函数。由于导电探针的功函数为已知量，因此，可通过扫描开尔文探针力显微镜测得石墨烯微区的实际功函数。在本步骤之前，为了更准确地测量石墨烯的功函数，还包括一校准导电探针功函数的步骤：利用扫描开尔文探针力显微镜扫描石墨烯表面，并根据石墨烯的功函数校准得到导电探针的功函数，由于石墨烯的功函数为已知量，进而可得到该导电探针的实际功函数，进而通过测量并利用该实际功函数得到石墨烯微区的实际功函数。
步骤S12、将所述石墨烯2微区的实际功函数与本征石墨烯的功函数进行比较，得到石墨烯微区的费米能级的移动量及石墨烯的载流子浓度n。计算出石墨烯微区与所述半导体衬底之间的势垒高度φBn0。石墨烯微区的实际功函数减去本征石墨烯的功函数就是费米能级的移动量，有了移动量根据石墨烯的线性色散关系就可以计算石墨烯微区的载流子浓度，石墨烯微区和半导体的势垒高度利用能带结构计算，利用二者接触的能带图结构，根据费米面相平的原则计算出来，其计算过程为现有技术，本文不再赘述。
步骤S13、采用导电原子力显微镜(CAFM)，通过导电原子力显微镜的导电探针采集所述石墨烯2微区的电流-电压曲线。
步骤S14、对电流-电压曲线进行分析拟合，得到导电探针与石墨烯微区的有效接触面积A，对电流-电压曲线进行分析拟合可以利用热电子发射模型公式进行，其中，I为流经肖特基结的电流密度，A*为有效理查德常数，T为绝对温度，φBn0为势垒高度，k为玻尔兹曼常数，V为接触处的端电压，η为理想因子，q为电子电量。
步骤S15、获得导电探针与石墨烯微区的实际接触半径，例如，利用赫兹公式获得导电探针与石墨烯微区的实际接触半径，其中r为导电探针与所述半导体衬底的实际接触半径、F为导电探针载荷、R为导电探针曲率半径、Y1、Y2为所述半导体衬底和导电探针的杨氏模量、ν1、ν2为所述半导体衬底和导电探针的泊松比。在本发明其他具体实施方式中，还可以采用基于ANSYS/LS-DYNA的有限元方法，AF模型(适用于塑性接触)，KE模型和CEB模型(均适用于弹-塑性接触)等已知的方法来获得导电探针与石墨烯的实际接触半径。
步骤S16、将有效接触半径减去实际接触半径，得到载流子在石墨烯微区表面的平均自由程l。其中，由于有效接触面积是圆形，因此通过有效接触面积可计算出有效接触半径。
步骤S17、利用平均自由程l和迁移率μ的关系式可得到迁移率μ的值，其中，n为石墨烯的载流子浓度，q为电子电量，h 为普朗克常数。
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)

1.一种测量以半导体为衬底的石墨烯微区迁移率的方法，其特征在于，包括如下步骤：
在半导体衬底表面覆盖石墨烯以形成石墨烯微区，并配置与所述石墨烯微区接触的导电探针；
将所述导电探针与扫描开尔文探针力显微镜连接，以测量石墨烯微区的实际功函数，从而获得所述石墨烯微区与半导体衬底之间的势垒高度φBn0；
将所述导电探针与导电原子力显微镜连接，以采集所述石墨烯微区的电流-电压曲线；
根据所述石墨烯微区与半导体衬底之间的势垒高度φBn0以及热电子发射模型对所述电流-电压曲线进行分析拟合，得到所述导电探针与石墨烯微区的有效接触半径；
根据所述导电探针与石墨烯微区的有效接触半径以及实际接触半径，计算所述石墨烯微区迁移率μ的值。
2.根据权利要求1所述的测量以半导体为衬底的石墨烯微区迁移率的方法，其特征在于，还包括在所述半导体衬底上制作欧姆接触电极，并将所述扫描开尔文探针力显微镜及导电原子力显微镜分别与所述欧姆接触电极连接。
3.根据权利要求1所述的测量以半导体为衬底的石墨烯微区迁移率的方法，其特征在于，将所述石墨烯微区的实际功函数与本征石墨烯的功函数进行比较，得到石墨烯微区的费米能级的移动量及石墨烯的载流子浓度n，从而利用能带结构计算出所述石墨烯微区与半导体衬底之间的势垒高度φBn0。
4.根据权利要求1所述的测量以半导体为衬底的石墨烯微区迁移率的方法，其特征在于，通过热电子发射模型公式对电流-电压曲线进行分析拟合，得到导电探针与石墨烯微区的有效接触面积A，进而得到有效接触半径，其中，I为流经肖特基结的电流密度，A*为有效理查德常数，T为绝对温度，φBn0为势垒高度，k为玻尔兹曼常数，V为接触处的端电压，η为理想因子，q为电子电量。
5.根据权利要求1所述的测量以半导体为衬底的石墨烯微区迁移率的方法，其特征在于，利用赫兹公式获得所述导电探针与石墨烯微区的实际接触半径，其中r为导电探针与所述半导体衬底的实际接触半径、F为导电探针载荷、R为导电探针曲率半径、Y1、Y2为所述半导体衬底和导电探针的杨氏模量、ν1、ν2为所述半导体衬底和导电探针的泊松比。
6.根据权利要求1所述的测量以半导体为衬底的石墨烯微区迁移率的方法，其特征在于，在采用扫描开尔文探针力显微镜测量石墨烯的实际功函数步骤之前，还包括校准导电探针功函数的步骤：利用扫描开尔文探针力显微镜扫描石墨烯微区表面，并根据石墨烯的功函数校准得到导电探针的功函数。
7.根据权利要求1所述的测量以半导体为衬底的石墨烯微区迁移率的方法，其特征在于，将所述导电探针与石墨烯微区的有效接触半径减去实际接触半径，得到载流子在石墨烯微区表面的平均自由程l；
利用平均自由程l和迁移率μ的关系式可得到迁移率μ的值，其中，n为石墨烯微区的载流子浓度，q为电子电量，h 为普朗克常数。
8.根据权利要求1所述的测量以半导体为衬底的石墨烯微区迁移率的方法，其特征在于，在半导体衬底表面覆盖石墨烯步骤之前，清洗所述半导体衬底表面。
CN201710197142.5A 2017-03-29 2017-03-29 测量以半导体为衬底的石墨烯微区迁移率的方法 Active CN107037284B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710197142.5A CN107037284B (zh) 2017-03-29 2017-03-29 测量以半导体为衬底的石墨烯微区迁移率的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710197142.5A CN107037284B (zh) 2017-03-29 2017-03-29 测量以半导体为衬底的石墨烯微区迁移率的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107037284A CN107037284A (zh) 2017-08-11
CN107037284B true CN107037284B (zh) 2019-04-23

Family

ID=59534642

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710197142.5A Active CN107037284B (zh) 2017-03-29 2017-03-29 测量以半导体为衬底的石墨烯微区迁移率的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107037284B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109932356A (zh) * 2019-03-20 2019-06-25 福建师范大学 一种半导体载流子类型判断及禁带宽度的测量方法
CN110346393B (zh) * 2019-04-22 2021-10-29 哈尔滨工业大学 超常环境热电子发射多场原位装置及其在线测试方法
CN110412357B (zh) * 2019-07-22 2022-05-17 重庆大学 一种液体电介质载流子迁移率的测试装置及方法
CN111223788A (zh) * 2020-01-14 2020-06-02 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种实现位错缺陷微区光电性能测评的方法
CN111722075B (zh) * 2020-06-30 2022-10-18 中国电子产品可靠性与环境试验研究所（（工业和信息化部电子第五研究所）（中国赛宝实验室）） GaN基HEMT器件潜径迹表征用测试结构及表征方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101655883A (zh) * 2009-09-08 2010-02-24 中国科学院微电子研究所 一种GaN HEMT器件的肖特基参数提取方法
US7760364B1 (en) * 2008-10-22 2010-07-20 Kla-Tencor Corporation Systems and methods for near-field heterodyne spectroscopy
CN102279288A (zh) * 2011-06-30 2011-12-14 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 采用原子力显微镜测量样品界面势垒的装置以及方法
CN102353817A (zh) * 2011-06-30 2012-02-15 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 导电原子力显微镜的探针以及采用此探针的测量方法
CN102520213A (zh) * 2011-12-14 2012-06-27 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 界面势垒测量装置及测量界面势垒的方法
CN103033734A (zh) * 2012-12-31 2013-04-10 西安电子科技大学 基于非接触式霍尔效应测量石墨烯载流子迁移率的方法
CN104392945A (zh) * 2014-10-31 2015-03-04 北京工业大学 一种基于场效应估算cvd方法生长在铜箔上的石墨烯迁移率的方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7760364B1 (en) * 2008-10-22 2010-07-20 Kla-Tencor Corporation Systems and methods for near-field heterodyne spectroscopy
CN101655883A (zh) * 2009-09-08 2010-02-24 中国科学院微电子研究所 一种GaN HEMT器件的肖特基参数提取方法
CN102279288A (zh) * 2011-06-30 2011-12-14 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 采用原子力显微镜测量样品界面势垒的装置以及方法
CN102353817A (zh) * 2011-06-30 2012-02-15 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 导电原子力显微镜的探针以及采用此探针的测量方法
CN102520213A (zh) * 2011-12-14 2012-06-27 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 界面势垒测量装置及测量界面势垒的方法
CN103033734A (zh) * 2012-12-31 2013-04-10 西安电子科技大学 基于非接触式霍尔效应测量石墨烯载流子迁移率的方法
CN104392945A (zh) * 2014-10-31 2015-03-04 北京工业大学 一种基于场效应估算cvd方法生长在铜箔上的石墨烯迁移率的方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN107037284A (zh) 2017-08-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107037284B (zh) 测量以半导体为衬底的石墨烯微区迁移率的方法
Deen et al. Electrical characterization of semiconductor materials and devices
Skucha et al. Palladium/silicon nanowire Schottky barrier-based hydrogen sensors
Rao et al. 4H-SiC pin diode as highly linear temperature sensor
Kalinin et al. Electronic transport imaging in a multiwire SnO2 chemical field-effect transistor device
Alexe et al. Energy harvesting using nanowires
Helbling et al. Sensing NO2 with individual suspended single-walled carbon nanotubes
Karg et al. Full thermoelectric characterization of InAs nanowires using MEMS heater/sensors
WO2014032416A1 (zh) 栅氧化层界面陷阱密度测试结构及测试方法
CN103852702B (zh) 确定半导体鳍中的载流子浓度的方法
CN107850648A (zh) 低偏移石墨烯霍尔传感器
Vandamme Characterization of contact interface, film sheet resistance and 1/f noise with circular contacts
Li et al. Contactless probing of the intrinsic carrier transport in single-walled carbon nanotubes
Vandamme et al. 1/f noise in homogeneous and inhomogeneous media
Hazeghi et al. An integrated capacitance bridge for high-resolution, wide temperature range quantum capacitance measurements
Wang et al. High-performance graphene-based electrostatic field sensor
Fuller et al. Quantitative Kelvin probe force microscopy of current-carrying devices
Ocaya A current–voltage–temperature method for fast extraction of schottky diode static parameters
Druga et al. Graphene-metal contact resistivity on semi-insulating 6H-SiC (0001) measured with Kelvin probe force microscopy
Tanner et al. Novel electrical characterization of thin 3C-SiC films on Si substrates
Madriz et al. Circuit modeling of high-frequency electrical conduction in carbon nanofibers
JP4342537B2 (ja) 半導体装置の特性評価方法及び試験装置
Stauffer Fundamentals of semiconductor CV measurements.
Chen et al. Thermoelectric property characterization of low-dimensional structures
Chen et al. Generalized Gated Four-Probe Method for Intrinsic Mobility Extraction With Van Der Pauw Structure

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant