CN110161070B - 一种利用光电子能谱测量能带弯曲的方法和装置 - Google Patents

一种利用光电子能谱测量能带弯曲的方法和装置 Download PDF

Info

Publication number
CN110161070B
CN110161070B CN201910430691.1A CN201910430691A CN110161070B CN 110161070 B CN110161070 B CN 110161070B CN 201910430691 A CN201910430691 A CN 201910430691A CN 110161070 B CN110161070 B CN 110161070B
Authority
CN
China
Prior art keywords
energy level
photoelectron
core
sample
energy
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
CN201910430691.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110161070A (zh
Inventor
赵弇斐
丁孙安
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 CN201910430691.1A priority Critical patent/CN110161070B/zh
Publication of CN110161070A publication Critical patent/CN110161070A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110161070B publication Critical patent/CN110161070B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/22—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material
    • G01N23/227—Measuring photoelectric effect, e.g. photoelectron emission microscopy [PEEM]
    • G01N23/2273—Measuring photoelectron spectrum, e.g. electron spectroscopy for chemical analysis [ESCA] or X-ray photoelectron spectroscopy [XPS]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2223/00—Investigating materials by wave or particle radiation
    • G01N2223/07—Investigating materials by wave or particle radiation secondary emission
    • G01N2223/085—Investigating materials by wave or particle radiation secondary emission photo-electron spectrum [ESCA, XPS]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2223/00—Investigating materials by wave or particle radiation
    • G01N2223/30—Accessories, mechanical or electrical features
    • G01N2223/321—Accessories, mechanical or electrical features manipulator for positioning a part

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

本发明公开了一种利用光电子能谱测量能带弯曲的方法和装置。此方法包括：获取待测样品在N个不同光电子发射角下的芯能级光电子能谱；N为整数且N≥4；根据芯能级光电子能谱与对应的光电子发射角的理论关系、光电子发射角与对应的积分深度的理论关系以及各不同光电子发射角下的芯能级光电子能谱分别获取N个不同积分深度对应的能级取值；光电子发射角与积分深度一一对应；根据能级取值与积分深度的理论关系、N个积分深度以及各积分深度对应的能级取值，拟合得到表层芯能级；表层芯能级为积分深度为0时对应的芯能级；根据能带弯曲与表层芯能级的理论关系以及表层芯能级的取值，得到待测样品的能带弯曲的大小。由此，可提高能带弯曲的测量精度。

Description

一种利用光电子能谱测量能带弯曲的方法和装置
技术领域
本发明实施例涉及半导体性质测量技术领域，尤其涉及一种利用光电子能谱测量能带弯曲的方法和装置。
背景技术
能带弯曲可指由于两个不同功函数和能带结构的材料接触之后，电子流动形成使势能平衡的平衡状态，与平带状态相对应。两个不同的半导体接触，半导体和金属接触以及半导体和电解液接触等都会形成能带弯曲。能带弯曲对半导体器件的性能有至关重要的影响。
目前，测量能带弯曲的设备主要有三种，分别为紫外光电子能谱仪、表面静电势原子力显微镜和固定光电子发射角的X射线光电子能谱仪。其中，固定光电子发射角的X射线光电子能谱仪所测得的光电子信号为一种积分信号，测得的峰位信息来自于待测样品表面至表面以下一定厚度的积分信号。当待测样品存在能带弯曲时，由峰位信息计算得到的能级位置会由于积分范围不同而发生移动，导致能带弯曲大小的测量不准确。
发明内容
本发明实施例提供一种利用光电子能谱测量能带弯曲的方法和装置，以提高能带弯曲的测量准确性。
本发明实施例提出一种利用光电子能谱测量能带弯曲的方法，该方法包括：
获取待测样品在N个不同光电子发射角下的芯能级光电子能谱；其中，N为整数且N≥4；
根据芯能级光电子能谱与对应的光电子发射角的理论关系、光电子发射角与对应的积分深度的理论关系以及各不同所述光电子发射角下的所述芯能级光电子能谱分别获取N个不同积分深度对应的能级取值；其中，所述光电子发射角与所述积分深度一一对应；
根据能级取值与积分深度的理论关系、N个所述积分深度以及各所述积分深度对应的所述能级取值，拟合得到表层芯能级；其中，所述表层芯能级为积分深度为0时对应的芯能级；
根据能带弯曲与表层芯能级的理论关系以及所述表层芯能级的取值，得到所述待测样品的能带弯曲的大小。
进一步地，所述获取待测样品在N个不同光电子发射角下的芯能级光电子能谱包括：
调整所述光电子发射角为第一预设角度；
获取所述待测样品在所述第一预设角度下的芯能级光电子能谱；
按照预设转动方向旋转所述待测样品，使所述光电子发射角为第M预设角度；其中，M为整数，且1＜M≤N；
获取所述待测样品在所述第M预设角度下的芯能级光电子能谱。
进一步地，所述预设转动方向为顺时针方向，所述光电子发射角依次增大；
或者，所述预设转动方向为逆时针方向，所述光电子发射角依次减小。
进一步地，相邻两个所述光电子发射角的差值均相等；
或者，相邻两个所述光电子发射角对应的所述积分深度的差值均相等。
进一步地，光电子发射角与对应的积分深度的理论关系包括：
z＝λ×sin(θ)；
其中，z代表积分深度，λ代表待测样品的芯能级光电子的非弹性散射平均自由程，θ代表光电子发射角。
进一步地，所述获取待测样品在N个不同光电子发射角下的芯能级光电子能谱之前，还包括：
利用单色化的X射线光子辐照所述待测样品的表面。
进一步地，所述芯能级光电子能谱与对应的光电子发射角的理论关系包括：
Figure BDA0002068896340000031
Figure BDA0002068896340000032
所述能级取值与积分深度的理论关系包括：
Figure BDA0002068896340000033
其中，z代表积分深度，I0(E)代表芯能级峰位在E处的光电子能谱，ψ(z)代表所述待测样品内部积分深度为z时的能级取值，λ代表所述待测样品的芯能级光电子的非弹性散射平均自由程，θ代表光电子发射角；I00代表芯能级光电子能谱的强度，α代表高斯-洛伦兹比例，F代表芯能级光电子能谱的半峰宽；ψs代表所述待测样品的所述表层芯能级，q代表电子电荷量，Nd代表所述待测样品的掺杂浓度,ε代表所述待测样品的介电常数；
所述根据能级取值与积分深度的理论关系、N个所述积分深度以及各所述积分深度对应的所述能级取值，拟合得到表层芯能级包括：
根据公式(1)、公式(2)以及公式(3)，利用最小二乘法拟合N个不同所述积分深度及其对应的所述能级取值，得到所述表层芯能级。
进一步地，所述能带弯曲与表层芯能级的理论关系包括：
(BB)＝(ECL-EV)bulk+Eg-EC-(ECL-EF)surface；
其中，(BB)代表所述待测样品的能带弯曲，(ECL-EV)bulk代表所述待测样品的体内芯能级与价带顶的能量差值，(ECL-EF)surface代表所述待测样品的表层芯能级，Eg代表所述待测样品的禁带宽度，EC代表所述待测样品的费米能级与导带底的能量差值；
所述根据能带弯曲与表层芯能级的理论关系以及所述表层芯能级的取值，得到所述待测样品的能带弯曲的大小之前还包括：
获取所述待测样品的体内芯能级与价带顶的能量差值；
获取所述待测样品的禁带宽度；
获取所述待测样品的费米能级与导带底的能量差值。
进一步地，获取所述待测样品的体内芯能级与价带顶的能量差值包括：
调整所述光电子发射角为辅助光电子发射角；
获取所述待测样品在所述辅助光电子发射角下的辅助芯能级光电子能谱和价带谱；
根据所述辅助芯能级光电子能谱和所述价带谱，计算得到所述待测样品的体内芯能级与价带顶的能量差值。
本发明实施例还提供一种利用光电子能谱测量能带弯曲的装置，该装置包括：数据获取单元、第一计算单元、数据拟合单元以及第二计算单元；
所述数据获取单元用于获取待测样品在N个不同光电子发射角下的芯能级光电子能谱，并传输至所述第一计算单元；其中N为整数且N≥4；
所述第一计算单元用于根据芯能级光电子能谱与对应的光电子发射角的理论关系、光电子发射角与对应的积分深度的理论关系以及各不同所述光电子发射角下的所述芯能级光电子能谱，分别获取N个不同积分深度对应的能级取值，并传输至所述数据拟合单元；其中，所述光电子发射角与所述积分深度一一对应；
所述数据拟合单元用于根据能级取值与积分深度的理论关系、N个所述积分深度以及各所述积分深度对应的所述能级取值，拟合得到表层芯能级，并传输至所述第二计算单元；其中，所述表层芯能级为积分深度为0时对应的芯能级；
所述第二计算单元用于根据能带弯曲与表层芯能级的理论关系以及所述表层芯能级的取值，得到所述待测样品的能带弯曲的大小。
本发明实施例提供的利用光电子能谱测量能带弯曲的方法，通过获取待测样品在N个不同光电子发射角下的芯能级光电子能谱；其中，N为整数且N≥4；其中，所述光电子发射角与所述积分深度一一对应；由此，根据芯能级光电子能谱与对应的光电子发射角的理论关系、光电子发射角与对应的积分深度的理论关系以及各不同所述光电子发射角下的所述芯能级光电子能谱可分别获取N个不同积分深度对应的能级取值；后再根据能级取值与积分深度的理论关系、N个所述积分深度以及各所述积分深度对应的所述能级取值，可拟合得到表层芯能级；其中，所述表层芯能级为积分深度为0时对应的芯能级；后再根据能带弯曲与表层芯能级的理论关系以及所述表层芯能级的取值，可得到所述待测样品的能带弯曲的大小。由此，本发明实施例提供的测量能带弯曲的方法，可通过改变光电子发射角，即通过改变待测样品表面与能量分析器之间的夹角而改变待测样品被测量的深度，从而得到不同积分深度下的待测样品的相关信息。后根据各理论关系反推积分深度为0时对应的芯能级，即去除光电子能谱测量过程中积分效应带来的影响，得到不同积分深度下的真正的芯能级的大小，从而有利于更准确的得到表层芯能级的大小，进而有利于提高能带弯曲的测量准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种利用光电子能谱测量能带弯曲的方法的流程示意图；
图2是对图1中S110进一步细化的流程示意图；
图3是本发明实施例提供的另一种利用光电子能谱测量能带弯曲的方法的流程示意图；
图4是本发明实施例提供的不同光电子发射角下的芯能级光电子能谱示意图；
图5是根据S320对图4中的图谱拟合后得到的芯能级光电子能谱示意图；
图6是根据S330对图5中的图谱进行拟合得到表层芯能级的示意图；
图7是对图3中S341进一步细化的流程示意图；
图8是图7中S420中测得的待测样品的辅助芯能级光电子能谱和价带谱；
图9是本发明实施例提供的一种利用光电子能谱测量能带弯曲的装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1是本发明实施例提供的一种利用光电子能谱测量能带弯曲的方法的流程示意图。参照图1，该测量能带弯曲的方法包括：
S110、获取待测样品在N个不同光电子发射角下的芯能级光电子能谱。
其中，N为整数且N≥4。后续步骤中，由于需要通过对测量数据拟合以得到理论数据，由此，该数值范围的设置有利于在后续拟合过程中较精确地得到表层芯能级的大小。示例性的，N的取值可为4、6、8、9或本领域技术人员可知的其他整数值，本发明实施例对此不作限定。
其中，待测样品可为存在能带弯曲的样品，待测样品的表面可为两个半导体接触的界面、半导体和金属接触的界面、金属和金属接触的界面、半导体和电解液接触的界面或者本领域技术人员可知的其他可能存在能带弯曲的样品，本发明实施例对此不作限定。需要说明的是，本段中的“两个半导体接触”可指两种不同材料的半导体接触，也可指同一种材料且性质不同的半导体接触，可形成能带弯曲即可，本发明实施例对此不作限定。
示例性的，待测样品可为氮化镓(GaN)。GaN为一种宽禁带半导体，具有禁带宽度大、击穿场强高、热导率大、电子饱和漂移速度高等特点，具有极大的应用潜力。由于GaN自身独特的晶体结构具有很强的极化效应，极化场导致GaN在异质结结构中存在明显的能带弯曲，该能带弯曲在GaN基半导体器件的研究和应用中至关重要。因此，通过本发明实施例提供的测量能带弯曲的方法，较准确的测量GaN的能带弯曲，对GaN基半导体器件的设计尤为重要。
其中，芯能级是指由原子核内部电子构成的能级，与价电子能级相对应。
其中，光电子能谱是利用光电效应，即将光子辐照至待测样品的表面，激发出待测样品表面以及表面以下一定深度范围内的光电子，测量光电子的动能、强度以及角度分布，以获得待测样品表面的相关信息。
示例性的，根据光源的不同，光电子能谱可包括紫外光电子能谱、X射线光电子能谱或本领域技术人员可知的其他类型的光电子能谱，本发明实施例对此不作限定。下文中，以X射线光电子能谱为例，对本发明实施例提供的测量能带弯曲的方法进行示例性说明。
其中，X射线光电子能谱测量设备至少包括光子发射臂、能量分析臂(也称能量分析器)和样品载台。实际测量过程中，待测样品固定于样品载台上，光子发射臂发射光子至待测样品的表面，能量分析器接收被激发的光电子。
其中，光电子发射角指待测样品的表面与能量分析器的夹角。通常，光子发射臂与能量分析臂之间的角度是固定的；示例性的，二者之间的夹角可为90°、54.7°或本领域技术人员可知的其他角度值。通过设置光电子发射角不同，可改变待测样品被探测的深度，即改变积分深度。通过测量待测样品在不同积分深度下的光电子能谱，为后续拟合得到表层芯能级做准备。
S120、根据芯能级光电子能谱与对应的光电子发射角的理论关系、光电子发射角与对应的积分深度的理论关系以及各不同光电子发射角下的芯能级光电子能谱分别获取N个不同积分深度对应的能级取值。
其中，光电子发射角与积分深度一一对应。N个不同的光电子发射角分别对应N个不同的积分深度。积分深度还可理解为由待测样品表面向下被探测的深度。
其中，各不同光电子发射角下的芯能级光电子能谱在S110中测得。该步骤中，通过光电子发射角作为中间量，将积分深度与芯能级光电子谱关联起来，可得到不同积分深度下的芯能级的能级取值，也可称为芯能级的束缚能。
需要说明的是，芯能级光电子能谱与对应的光电子发射角的理论关系以及光电子发射角与对应的积分深度的理论关系可为本领域技术人员可知的任一种对应关系，下文中以具体公式为例示例性说明。
S130、根据能级取值与积分深度的理论关系、N个积分深度以及各积分深度对应的能级取值，拟合得到表层芯能级。
其中，表层芯能级为积分深度为0时对应的芯能级。该步骤结合S120，即利用模型修正积分效应带来的影响，可得到不同积分深度下的真正的芯能级束缚能，从而便于后续更准确的计算能带弯曲的大小。
需要说明的是，能级取值与积分深度的理论关系可为本领域技术人员可知的任一种对应关系，下文中以具体公式为例示例性说明。
S140、根据能带弯曲与表层芯能级的理论关系以及表层芯能级的取值，得到待测样品的能带弯曲的大小。
其中，表层芯能级的取值在S130中以精确得到。从而该步骤中可较准确地计算能带弯曲的大小。
需要说明的是，能带弯曲与表层芯能级的理论关系可为本领域技术人员可知的任一种对应关系，下文中以具体公式为例示例性说明。
本发明实施例提供的利用光电子谱测量能带弯曲的方法，通过改变光电子发射角，即待测样品的表面与光电子能谱仪能量分析器之间的夹角，可得到不同积分深度下的待测样品的信息；后利用模型(包括上述的各理论关系)修正积分效应带来的影响，即可得到不同积分深度下的真正的芯能级束缚能，从而有利于较准确的计算能带弯曲的大小。
可选的，图2是对图1中S110进一步细化的流程示意图，示例性的示出了S110的具体实现过程。参照图1和图2，S110可包括：
S210、调整光电子发射角为第一预设角度。
其中，第一预设角度为光电子发射角的一角度取值。第一预设角度可为介于0°至90°之间的任一角度值(通常不包括0°，但可包括90°)。示例性的，第一预设角度可为10°、15°、75°、80°或本领域技术人员可知的、可选的其他角度取值，本发明实施例对此不作限定。
示例性的，该步骤可包括在X射线光电子能谱测量设备的操作界面上，将光电子发射角设置为第一预设角度，并确认将光电子发射角自动调整至该第一预设角度。
需要说明的是，还可采用本领域技术人员可知的其他方式，实现该步骤，本发明实施例对此不作限定。
S220、获取待测样品在第一预设角度下的芯能级光电子能谱。
其中，能量分析器收集第一预设角度下待测样品被激发出来的光电子，以得到待测样品的芯能级光电子谱。
示例性的，以测量GaN的Ga3d芯能级(约为20eV)为示例，测量能量范围可为10eV-30eV，能量步长可为0.125eV。对于其他待测样品，测量能量范围和能量步长，还可根据测量需求，设置为本领域技术人员可知的其他数值，本发明实施例对此不作限定。
S230、按照预设转动方向旋转待测样品，使光电子发射角为第M预设角度。
其中，M为整数，且1＜M≤N。
示例性的，N的取值为4时，M的取值可为2、3和4。该步骤通过改变光电子发射角，方便获取不同光电子发射角下的芯能级光电子能谱。
其中，待测样品固定在样品载台上，通常样品载台可转动，而光子发射臂和能量分析器固定，从而通过旋转样品载台，即可带动待测样品转动，从而可改变待测样品的表面与能量分析器之间的夹角，即通过旋转待测样品，可改变光电子发射角。
其中，预设转动方向可为围绕样品载台可转动轴向的任一方向，可为逆时针方向，也可为顺时针方向，本发明实施例对此不作限定。
S240、获取待测样品在第M预设角度下的芯能级光电子能谱。
其中，S230中将光电子发射角调整为第M预设角度，该步骤通过收集待测样品被激发出来的光电子，可获得待测样品在第M预设角度下的芯能级光电子能谱。
由此，通过执行S210-S240，可获取待测样品在N个不同光电子发射角下的芯能级光电子能谱，为后续的拟合计算做准备。
可选的，预设转动方向为顺时针方向，光电子发射角依次增大；或者，预设转动方向为逆时针方向，光电子发射角依次减小。
如此设置，可使光电子发射角依次增大或依次减小，从而有利于简化测量工序。
示例性的，以N的取值为6为示例，光电子发射角可依次为10°、15°、30°、45°、60°和75°；或者，光电子发射角可依次为75°、60°、45°、30°、15°和10°；或者，还可根据实际测量需求，设置光电子发射角为本领域技术人员可知的其他角度值，本发明实施例对此不作限定。
可选的，相邻两个光电子发射角的差值均相等；或者，相邻两个光电子发射角对应的积分深度的差值均相等。
如此设置，可使得各测试点分布较均匀，从而有利于提高后续步骤中计算和拟合的准确性，进而有利于提高能带弯曲的测量准确性。
示例性的，以N的取值为6为例，光电子发射角依次可为5°、15°、30°、45°、60°和75°；或者，光电子发射角可依次为75°、60°、45°、30°、15°和5°；或者，还可根据实际测量需求，设置光电子发射角为本领域技术人员可知的其他角度值，本发明实施例对此不作限定。
可选的，光电子发射角与对应的积分深度的理论关系包括：z＝λ×sin(θ)；其中，z代表积分深度，λ代表待测样品的芯能级光电子的非弹性散射平均自由程，θ代表光电子发射角。
如此，可将光电子发射角与积分深度一一对应。
可选的，在图1中的S110之前还可包括：利用单色化的X射线光子辐照待测样品的表面。
其中，光子可由光子发射臂发出。单色化可理解为X射线的线宽较小，如此有利于避免噪声信号。通过将X射线单色化，可使测量测到的信号能量的分辨率较好，从而有利于提高能带弯曲的测量准确性。需要说明的是，单色化的程度，也即X射线的线宽的具体取值，可根据实际需求设置，本发明实施例对此不作限定。
示例性的，该单色化的X射线可为AlkαX射线，也可为本领域技术人员可知的其他类型的单色化的X射线，本发明实施例对此不作限定。
需要说明的是，实际测量过程中，X射线光子可持续辐照在待测样品的表面，或者X射线光子也可仅在采集芯能级光电子能谱的过程中辐照在待测样品的表面，而在光电子发射角的角度调整过程中并不辐照待测样品。此均可根据实际测量需求设置，本发明实施例对此不作限定。
可选的，芯能级光电子能谱与对应的光电子发射角的理论关系包括：
Figure BDA0002068896340000131
Figure BDA0002068896340000132
能级取值与积分深度的理论关系包括：
Figure BDA0002068896340000133
(此公式采用耗尽层的势能做近似)……(3)；
其中，z代表积分深度，I0(E)代表芯能级峰位在E处的光电子能谱，ψ(z)代表待测样品内部积分深度为z时的能级取值，λ代表待测样品的芯能级光电子的非弹性散射平均自由程，θ代表光电子发射角；I0(E-ψ(z))用一个Voigt函数表示，I00代表芯能级光电子能谱的强度，α代表高斯-洛伦兹比例，F代表芯能级光电子能谱的半峰宽；ψs代表待测样品的表层芯能级，q代表电子电荷量，Nd代表待测样品的掺杂浓度,ε代表待测样品的介电常数。
在此基础上，图1中的S130可包括：
根据公式(1)、公式(2)以及公式(3)，利用最小二乘法拟合N个不同积分深度及其对应的能级取值，得到表层芯能级。
如此，通过最小二乘法拟合，可去除X射线光电子能谱仪的积分效应，从而得到较精确的表层芯能级(束缚能)。
可选的，能带弯曲与表层芯能级的理论关系包括：
(BB)＝(ECL-EV)bulk+Eg-EC-(ECL-EF)surface；
其中，(BB)代表待测样品的能带弯曲，(ECL-EV)bulk代表待测样品的体内芯能级与价带顶的能量差值，(ECL-EF)surface代表待测样品的表层芯能级，Eg代表待测样品的禁带宽度，EC代表待测样品的费米能级与导带底的能量差值。
如此，通过该公式可计算得到能带弯曲的大小。
在此前提下，图3是本发明实施例提供的另一种利用光电子能谱测量能带弯曲的方法的流程示意图。参照图3，该测量能带弯曲的方法可包括：
S310、获取待测样品在N个不同光电子发射角下的芯能级光电子能谱。
示例性的，图4是本发明实施例提供的不同光电子发射角下的芯能级光电子能谱示意图。以图4中的方位为例，横轴代表光电子的能量范围，单位为eV；纵轴代表积分强度，单位为任意单位，即a.u.；图4中以Ga3d芯能级为示例，示出了六个不同光电子发射角下的芯能级光电子能谱。其中，各芯能级光电子能谱与光电子发射角的对应关系为：L010对应10°，L011对应15°，L012对应30°，L013对应45°，L014对应60°，L015对应75°。由图4可看出，不同光电子发射角下所测得的芯能级光电子能谱的峰位不完全一致。
S320、根据芯能级光电子能谱与对应的光电子发射角的理论关系、光电子发射角与对应的积分深度的理论关系以及各不同光电子发射角下的芯能级光电子能谱分别获取N个不同积分深度对应的能级取值。
其中，每个积分深度对应一个能级取值，在得到能级取值之前还对需对图谱进行拟合。
示例性的，图5是根据S320对图4中的图谱拟合后得到的芯能级光电子能谱示意图，示出了采用二次耗尽近似后的各芯能级光电子能谱。以图5中的方位为例，横轴代表光电子的能量范围，单位为eV；纵轴代表积分强度，单位为任意单位，即a.u.。与图4中的对应关系相适应，其中，各芯能级光电子能谱与光电子发射角的对应关系为：L020对应10°，L021对应15°，L022对应30°，L023对应45°，L024对应60°，L025对应75°。
S330、根据能级取值与积分深度的理论关系、N个积分深度以及各积分深度对应的能级取值，拟合得到表层芯能级。
示例性的，图6是根据S330对图5中的图谱进行拟合得到表层芯能级的示意图。其中，横轴代表待测样品的积分深度，示例性的以3λGa3dSin(θ)示出，单位为纳米(nm)；纵轴代表芯能级取值，单位为eV；D033代表由S320得到的各积分深度与能级取值对应关系的测试点；L032代表未去卷积的拟合结果，L031代表去卷积的拟合结果。由图6可看出，通过公式(1)、公式(2)以及公式(3)去卷积拟合，可得到曲线L031，即可得到不同积分深度下的各芯能级束缚能的取值，在积分深度为0的位置，即对应得到表层芯能级取值。
S350、根据能带弯曲与表层芯能级的理论关系以及表层芯能级的取值，得到待测样品的能带弯曲的大小。
在S350之前还可包括：
S341、获取待测样品的体内芯能级与价带顶的能量差值。
示例性的，该待测样品的体内芯能级与价带顶的能量差值可通过X射线光电子能谱设备测试测到，在下文中详述。
S342、获取待测样品的禁带宽度。
其中，禁带宽度为表征半导体性能的一个重要参数。
示例性的，该待测样品的禁带宽度可查询得到或测量得到，本发明实施例对此不作限定。
S343、获取待测样品的费米能级与导带底的能量差值。
其中，待测样品的费米能级与导带底的能量差值通常与待测样品的掺杂浓度有关。
示例性的，以该待测样品为半导体为例：
对于低掺样品(Nd<NC)，
Figure BDA0002068896340000161
其中，EC表示费米能级与导带底的能量差值，Nd表示半导体的掺杂浓度，NC表示半导体的有效导带状态密度。k表示玻耳兹曼常数，T表示温度。若EC大于0，则表示费米能级位于导带以上；若EC小于0，则表示费米能级位于导带以下。
对于高掺样品(Nd≥NC)，EC需采用费米狄拉克积分进行计算。具体的，
Figure BDA0002068896340000162
其中，费米狄拉克积分函数
Figure BDA0002068896340000163
其中，Nd表示半导体的掺杂浓度，NC表示半导体的有效导带状态密度，k表示玻耳兹曼常数，T表示温度。EC表示费米能级与导带底的能量差值，也可理解为导带底相对于费米能级的位置。若EC大于0，则表示费米能级位于导带以上；若EC小于0，则表示费米能级位于导带以下。
示例性的，半导体的掺杂浓度可通过电容-电压(C-V)测试或本领域技术人员可知的其他测试方式得到，本发明实施例对此不作限定。
由此，在执行S350之前，可获得(BB)＝(ECL-EV)bulk+Eg-EC-(ECL-EF)surface中等式右侧的各物理量，从而可在S350中计算得到能带弯曲(BB)的大小。
可选的，图7是对图3中S341进一步细化的流程示意图。参照图3和图7，S341可包括：
S410、调整光电子发射角为辅助光电子发射角。
其中，该辅助光电子发射角下测得的芯能级光电子谱可用于计算待测样品的体内芯能级与价带顶的能量差值。该辅助光电子发射角下，被激发出来的光电子中不仅包括表层对应的光电子还包括体内对应的光电子，且体内对应的光电子占据主导作用。
示例性的，在X射线光电子能谱测量设备中，以光子发射臂与能量分析器的夹角固定位54.7°为例，该辅助光电子发射角可为90°。
需要说明的是，在其他光电子能谱测量设备中，还可根据测量方法和测量设备的实际需求，设置辅助光电子发射角的取值，本发明实施例对此不作限定。
S420、获取待测样品在辅助光电子发射角下的辅助芯能级光电子能谱和价带谱。
其中，能量分析器收集该光电子发射角下的光电子，即可得到辅助吸能及光电子能谱和价带谱。
示例性的，图8是图7中S420中测得的待测样品的辅助芯能级光电子能谱和价带谱，示出了GaN的相关测试结果。其中，横轴代表能量范围取值，单位为eV；纵轴代表光电子的相对强度，单位为任意单位，即a.u.。其中L001代表待测样品的辅助芯能级光电子能谱，对应的能量取值范围可为10eV～30eV；L002代表待测样品的价带谱，对应的能量取值范围为-5eV～10eV。
S430、根据辅助芯能级光电子能谱和价带谱，计算得到待测样品的体内芯能级与价带顶的能量差值。
示例性的，继续参照图8，根据辅助芯能级光电子能谱和价带谱，可得到体内芯能级与价带顶的能量差值(ECL-EV)bulk。
示例性的，(ECL-EV)bulk＝19.48-2＝17.48eV。
由此，通过执行S410-S430，可得到待测样品的体内芯能级与价带顶的能量差值，为后续计算能带弯曲做准备。
需要说明的是，图4、图5、图6以及图8仅示例性的以测量GaN的3d芯能级为例示例性的说明了利用光电子能谱测量能带弯曲的方法，但并非对本发明实施例提供的测量能带弯曲的方法的限定。在其他实施方式中，还可测量GaN材料中的其他芯能级，也可测量其他材料的能带弯曲的大小，本发明实施例对此均不作限定。
本发明实施例提供的测量能带弯曲的方法，通过改变光电子发射角，即待测样品的表面与光电子能谱仪能量分析器之间的夹角，可得到不同积分深度下的待测样品的信息；后利用模型(包括上述的各理论关系)修正积分效应带来的影响，即可得到不同积分深度下的真正的芯能级束缚能，从而有利于较准确的计算能带弯曲的大小。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种利用光电子能谱测量能带弯曲的装置，该装置可用于执行上述实施方式提供的任一种测量能带弯曲的方法，因此，该测量能带弯曲的装置也具有上述实施方式提供的测量能带弯曲的方法所具有的技术效果，相同之处可参照上文理解，下文中不再赘述。
示例性的，图9是本发明实施例提供的一种利用光电子能谱测量能带弯曲的装置的结构示意图。参照图9，该测量能带弯曲的装置50包括：数据获取单元510、第一计算单元520、数据拟合单元530以及第二计算单元540；数据获取单元510用于获取待测样品在N个不同光电子发射角下的芯能级光电子能谱，并传输至第一计算单元520；其中N为整数且N≥4；第一计算单元520用于根据芯能级光电子能谱与对应的光电子发射角的理论关系、光电子发射角与对应的积分深度的理论关系以及各不同光电子发射角下的芯能级光电子能谱，分别获取N个不同积分深度对应的能级取值，并传输至数据拟合单元530；其中，光电子发射角与积分深度一一对应；数据拟合单元530用于根据能级取值与积分深度的理论关系、N个积分深度以及各积分深度对应的能级取值，拟合得到表层芯能级，并传输至第二计算单元540；其中，表层芯能级为积分深度为0时对应的芯能级；第二计算单元540用于根据能带弯曲与表层芯能级的理论关系以及表层芯能级的取值，得到待测样品的能带弯曲的大小。
由此，可较精确的得到能带弯曲的大小。
需要说明的是，图9中仅示例性的示出了数据获取单元510、第一计算单元520、数据拟合单元530以及第二计算单元540，此仅为对该测量能带弯曲的装置50进行功能划分而得到的各个模块，但并不构成对产品实际结构的限定。在产品实际结构中，上述各功能模块可集成设计；同时，该测量能带弯曲的装置50还可包括本领域技术人员可知的其他模块或部件，本发明实施例对此不作限定。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种利用光电子能谱测量能带弯曲的方法，其特征在于，包括：
获取待测样品在N个不同光电子发射角下的芯能级光电子能谱；其中，N为整数且N≥4；
根据芯能级光电子能谱与对应的光电子发射角的理论关系、光电子发射角与对应的积分深度的理论关系以及各不同所述光电子发射角下的所述芯能级光电子能谱分别获取N个不同积分深度对应的能级取值；其中，所述光电子发射角与所述积分深度一一对应；
根据能级取值与积分深度的理论关系、N个所述积分深度以及各所述积分深度对应的所述能级取值，拟合得到表层芯能级；其中，所述表层芯能级为积分深度为0时对应的芯能级；
根据能带弯曲与表层芯能级的理论关系以及所述表层芯能级的取值，得到所述待测样品的能带弯曲的大小。
2.根据权利要求1所述的测量能带弯曲的方法，其特征在于，所述获取待测样品在N个不同光电子发射角下的芯能级光电子能谱包括：
调整所述光电子发射角为第一预设角度；
获取所述待测样品在所述第一预设角度下的芯能级光电子能谱；
按照预设转动方向旋转所述待测样品，使所述光电子发射角为第M预设角度；其中，M为整数，且1＜M≤N；
获取所述待测样品在所述第M预设角度下的芯能级光电子能谱。
3.根据权利要求2所述的测量能带弯曲的方法，其特征在于，所述预设转动方向为顺时针方向，所述光电子发射角依次增大；
或者，所述预设转动方向为逆时针方向，所述光电子发射角依次减小。
4.根据权利要求3所述的测量能带弯曲的方法，其特征在于，相邻两个所述光电子发射角的差值均相等；
或者，相邻两个所述光电子发射角对应的所述积分深度的差值均相等。
5.根据权利要求1-4任一项所述的测量能带弯曲的方法，其特征在于，光电子发射角与对应的积分深度的理论关系包括：
z＝λ×sin(θ)；
其中，z代表积分深度，λ代表待测样品的芯能级光电子的非弹性散射平均自由程，θ代表光电子发射角。
6.根据权利要求1所述的测量能带弯曲的方法，其特征在于，所述获取待测样品在N个不同光电子发射角下的芯能级光电子能谱之前，还包括：
利用单色化的X射线光子辐照所述待测样品的表面。
7.根据权利要求1所述的测量能带弯曲的方法，其特征在于，所述芯能级光电子能谱与对应的光电子发射角的理论关系包括：
Figure FDA0003299171960000021
Figure FDA0003299171960000022
所述能级取值与积分深度的理论关系包括：
Figure FDA0003299171960000023
其中，z代表积分深度，I0(E)代表芯能级峰位在E处的光电子能谱，ψ(z)代表所述待测样品内部积分深度为z时的能级取值，λ代表所述待测样品的芯能级光电子的非弹性散射平均自由程，θ代表光电子发射角；I00代表芯能级光电子能谱的强度，α代表高斯-洛伦兹比例，F代表芯能级光电子能谱的半峰宽；ψs代表所述待测样品的所述表层芯能级，q代表电子电荷量，Nd代表所述待测样品的掺杂浓度,ε代表所述待测样品的介电常数；
所述根据能级取值与积分深度的理论关系、N个所述积分深度以及各所述积分深度对应的所述能级取值，拟合得到表层芯能级包括：
根据公式(1)、公式(2)以及公式(3)，利用最小二乘法拟合N个不同所述积分深度及其对应的所述能级取值，得到所述表层芯能级。
8.根据权利要求1所述的测量能带弯曲的方法，其特征在于，所述能带弯曲与表层芯能级的理论关系包括：
(BB)＝(ECL-EV)bulk+Eg-EC-(ECL-EF)surface；
其中，(BB)代表所述待测样品的能带弯曲，(ECL-EV)bulk代表所述待测样品的体内芯能级与价带顶的能量差值，(ECL-EF)surface代表所述待测样品的表层芯能级，Eg代表所述待测样品的禁带宽度，EC代表所述待测样品的费米能级与导带底的能量差值；
所述根据能带弯曲与表层芯能级的理论关系以及所述表层芯能级的取值，得到所述待测样品的能带弯曲的大小之前还包括：
获取所述待测样品的体内芯能级与价带顶的能量差值；
获取所述待测样品的禁带宽度；
获取所述待测样品的费米能级与导带底的能量差值。
9.根据权利要求8所述的测量能带弯曲的方法，其特征在于，获取所述待测样品的体内芯能级与价带顶的能量差值包括：
调整所述光电子发射角为辅助光电子发射角；获取所述待测样品在所述辅助光电子发射角下的辅助芯能级光电子能谱和价带谱；
根据所述辅助芯能级光电子能谱和所述价带谱，计算得到所述待测样品的体内芯能级与价带顶的能量差值。
10.一种利用光电子能谱测量能带弯曲的装置，其特征在于，包括：数据获取单元、第一计算单元、数据拟合单元以及第二计算单元；
所述数据获取单元用于获取待测样品在N个不同光电子发射角下的芯能级光电子能谱，并传输至所述第一计算单元；其中N为整数且N≥4；
所述第一计算单元用于根据芯能级光电子能谱与对应的光电子发射角的理论关系、光电子发射角与对应的积分深度的理论关系以及各不同所述光电子发射角下的所述芯能级光电子能谱，分别获取N个不同积分深度对应的能级取值，并传输至所述数据拟合单元；其中，所述光电子发射角与所述积分深度一一对应；
所述数据拟合单元用于根据能级取值与积分深度的理论关系、N个所述积分深度以及各所述积分深度对应的所述能级取值，拟合得到表层芯能级，并传输至所述第二计算单元；其中，所述表层芯能级为积分深度为0时对应的芯能级；
所述第二计算单元用于根据能带弯曲与表层芯能级的理论关系以及所述表层芯能级的取值，得到所述待测样品的能带弯曲的大小。
CN201910430691.1A 2019-05-22 2019-05-22 一种利用光电子能谱测量能带弯曲的方法和装置 Active CN110161070B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910430691.1A CN110161070B (zh) 2019-05-22 2019-05-22 一种利用光电子能谱测量能带弯曲的方法和装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910430691.1A CN110161070B (zh) 2019-05-22 2019-05-22 一种利用光电子能谱测量能带弯曲的方法和装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110161070A CN110161070A (zh) 2019-08-23
CN110161070B true CN110161070B (zh) 2022-03-08

Family

ID=67632031

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910430691.1A Active CN110161070B (zh) 2019-05-22 2019-05-22 一种利用光电子能谱测量能带弯曲的方法和装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110161070B (zh)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0579926A (ja) * 1991-09-20 1993-03-30 Toshiba Corp 窒化アルミニウム焼結体の残留応力測定方法
JP2006313132A (ja) * 2005-05-09 2006-11-16 Fujitsu Ltd 試料分析方法およびｘ線分析装置
CN101273251A (zh) * 2005-09-27 2008-09-24 瑞沃瑞公司 一种光电子能谱分析设备及使用该设备的方法
CN202471983U (zh) * 2012-03-19 2012-10-03 中国科学技术大学 一种基于吸收迭代法的闪光x射线能谱测量装置
CN103492908A (zh) * 2011-03-14 2014-01-01 阿海珐核能公司 光子能谱装置、相应的方法和该装置的用途
CN203445142U (zh) * 2013-06-26 2014-02-19 南通同方半导体有限公司 具有非对称垒层的蓝光led外延结构
CN109725343A (zh) * 2017-10-27 2019-05-07 曲阜师范大学 离轴抛线型x射线平行弯晶谱仪装置

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0579926A (ja) * 1991-09-20 1993-03-30 Toshiba Corp 窒化アルミニウム焼結体の残留応力測定方法
JP2006313132A (ja) * 2005-05-09 2006-11-16 Fujitsu Ltd 試料分析方法およびｘ線分析装置
CN101273251A (zh) * 2005-09-27 2008-09-24 瑞沃瑞公司 一种光电子能谱分析设备及使用该设备的方法
CN103492908A (zh) * 2011-03-14 2014-01-01 阿海珐核能公司 光子能谱装置、相应的方法和该装置的用途
CN202471983U (zh) * 2012-03-19 2012-10-03 中国科学技术大学 一种基于吸收迭代法的闪光x射线能谱测量装置
CN203445142U (zh) * 2013-06-26 2014-02-19 南通同方半导体有限公司 具有非对称垒层的蓝光led外延结构
CN109725343A (zh) * 2017-10-27 2019-05-07 曲阜师范大学 离轴抛线型x射线平行弯晶谱仪装置

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
An ARXPS primer;R.W. Paynter;《Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena》;20081002(第169期);第1-9页 *
Electron band bending of polar, semipolar and non-polar GaN surfaces;I. Barto et al;《JOURNAL OF APPLIED PHYSICS》;20160311;第119卷(第105303期);第1-7页 *
Investigation of Surface Band Bending of Ga-Face GaN by Angle-Resolved X-ray Photoelectron Spectroscopy;T. L. Duan et al;《Journal of Solid State Science and Technology》;20160803;第5卷(第9期);第514-517页 *
Semiconductor core-level to valence-band maximum binding-energy differences：Precise deterttIination by x-ray photoelectron spectroscopy;E. A. Kraut et al;《PHYSICAL REVIEW B》;19830815;第28卷(第4期);第1965-1977页 *
Surface Analysis: X-ray Photoelectron Spectroscopy, Auger Electron Spectroscopy, and Secondary Ion Mass Spectrometry;Noel H. Turner et al;《Anal. Chem.》;19871231(第56期);第373-416页 *
The Use of the Pseudo-Voigt Function in the Variance Method of X-ray Line-Broadening Analysis;F. S,~NCHEZ-BAJO et al;《Journal of Applied Crystallography》;19961213(第30期);第427-430页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110161070A (zh) 2019-08-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Greczynski et al. X-ray photoelectron spectroscopy of thin films
US7680243B2 (en) X-ray measurement of properties of nano-particles
Granerød et al. Automated approaches for band gap mapping in STEM-EELS
Pahlke et al. Determination of ultra trace contaminants on silicon wafer surfaces using total-reflection X-ray fluorescence TXRF ‘state-of-the-art’
US11549895B2 (en) System and method using x-rays for depth-resolving metrology and analysis
US8507853B2 (en) Method and system for determining depth profiling
JP5712778B2 (ja) Ｓｏｉウェーハのｓｏｉ層の膜厚測定方法
CN110161070B (zh) 一种利用光电子能谱测量能带弯曲的方法和装置
KR100955434B1 (ko) 측정된 기초 스펙트럼을 사용하거나 및/또는 획득된스펙트럼에 기초한 박막의 비파괴적 특성화
Kühn et al. Pushing the limits for fast spatially resolved elemental distribution patterns
Bordage et al. On the sensitivity of hard X-ray spectroscopies to the chemical state of Br
Matyi et al. The international VAMAS project on X-ray reflectivity measurements for evaluation of thin films and multilayers—Preliminary results from the second round-robin
US11852467B2 (en) Method and system for monitoring deposition process
JP2018109574A (ja) 組成分析方法及び組成分析装置
JP2020003331A (ja) バックグラウンド除去方法及び蛍光ｘ線分析装置
JP6677943B2 (ja) 顕微分光データ測定装置および方法
Santos et al. Development of a portable grazing exit X-ray fluorescence system using a gold anode X-ray tube
JPH08327566A (ja) 全反射蛍光ｘ線分析の定量法および定量装置
Kudriavtsev et al. Chemical analysis of obsidian by a SIMS/EDX combined system
Fliegauf et al. Surface characterization of silicon spheres by combined XRF and XPS analysis for determination of the Avogadro constant
Müller et al. X-ray spectrometry with synchrotron radiation
Dluhoš et al. 3D Multi-modal Elemental Characterization of Li-Ion Battery Components using SEM, EDS and ToF SIMS in the FIB-SEM Tomography
Falgayrac et al. Influence of collecting substrate on the Raman imaging of micron-sized particles
RU2483388C1 (ru) Способ получения наноразмерного тонкопленочного стандартного образца химического состава
Santos et al. Development of a portable system of grazing exit X-Ray fluorescence applied to environmental and biological studies

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