CN111366540A - 半导体材料纳米尺度各向异性吸收系数的测量装置及方法 - Google Patents

半导体材料纳米尺度各向异性吸收系数的测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半导体材料纳米尺度各向异性吸收系数的测量装置及测量方法，测量方法包括：关闭狭缝，利用扫描开尔文探针显微镜测试无光条件下导电针尖上的接触电势差NLCPD；开启狭缝，利用扫描开尔文探针显微镜测试在当前发光波长下的导电针尖上的接触电势差LCPD；多次改变发光的波长值，分别测量对应的NLCPD和LCPD，得出无光条件下接触电势差随波长变化的关系曲线NLCPD(λ)和加光条件下接触电势差随波长变化的曲线LCPD(λ)；根据DCPD(λ)＝LCPD(λ)‑NLCPD(λ)得到差值随波长变化的曲线DCPD(λ)；计算当前偏振角度激发光的吸收系数α；改变激发光的偏振角度，计算对应偏振角度下的吸收系数，即得各向异性吸收系数。本发明使测量吸收系数的空间分辨率大大提高，实现了纳米尺度光吸收系数各向异性的测量。

Description

半导体材料纳米尺度各向异性吸收系数的测量装置及方法
技术领域
本发明涉及半导体材料的光吸收系数的测量，尤其涉及一种半导体材料纳米尺度各向异性吸收系数的测量装置及方法。
背景技术
在光学测试中，介质中的光强度通过下面的经验关系表征：I＝I0 exp(-αd)，这里α是介质的吸收系数，d是距介质表面的距离，I0是介质表面的光强度，I是距离介质表面d时的光强度。吸收系数α是指光通过介质时光强度衰减的量度。对于各向同性的介质，光通过介质时光学响应是固定的，不会随着光偏振角度的变化而变化。但是对于各向异性的介质，光学响应随光偏振角度的变化而变化，从而使吸收系数α呈现各向异性，这就是我们所说的吸收系数的各向异性。
对于半导体材料而言，光吸收系数是一个非常重要的物理量。一般测试光吸收系数的方法是通过采用分光光度计、椭偏仪等进行测量的方法，通过这些方法所测得的都是在毫米范围内相对宏观的测量值。由于材料本身存在的各向异性或者生长过程中缺陷造成的应力场的不同，使得半导体材料在微区存在着各向异性。这种微区一般是纳米尺度上的，传统的测试方法很难表征纳米尺度上的光吸收系数。然而，尺寸越来越小是目前半导体器件的发展趋势，所以材料的纳米尺度的微区性质就对器件性能有很大的影响。要想研究半导体材料的纳米尺度微区性质，这就对测试的空间分辨率有了更高的要求。
因此，目前尚没有可用于研究半导体材料纳米尺度的各向异性吸收系数的测量设备及方法。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种半导体材料纳米尺度各向异性吸收系数的测量装置及测试方法，可以方便地实现半导体材料纳米尺度的各向异性吸收系数的测量。
为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种半导体材料纳米尺度各向异性吸收系数的测量装置，包括：
光源组件，用于产生激发光；
狭缝，用于控制激发光的开启与关闭；
物镜，用于放大样品表面的视野；
样品台，用于承载样品；
导电针尖，与所述样品台可相对移动地设置，用于逼近所述样品台上的样品的表面并与样品间隔设置，以测试样品的形貌与接触电势差；以及
扫描开尔文探针显微镜，连接所述导电针尖，用于测试在无光时的所述导电针尖上的接触电势差NLCPD与加光时的所述导电针尖上的接触电势差LCPD的差值DCPD。
作为其中一种实施方式，所述光源组件包括光源、单色仪和起偏装置，所述单色仪用于接收所述光源发出的光而产生连续波长的单色光，所述起偏装置用于接收所述单色仪发出的单色光而产生线性偏振光。
作为其中一种实施方式，所述半导体材料纳米尺度各向异性吸收系数的测量装置还包括接地的接地组件；所述接地组件用于与样品导通，且所述接地组件与所述样品台导通；所述样品台与地导通。
作为其中一种实施方式，所述样品台可移动地设置，用于移动样品至所述导电针尖的测试区域。
作为其中一种实施方式，所述半导体材料纳米尺度各向异性吸收系数的测量装置还包括光功率计和温度计，所述光功率计、所述温度计分别用于测量入射到样品材料内的光子流密度p0和样品所处的温度T；吸收系数α通过下式获得：
Figure BDA0002431669680000031
其中，λ为激发光的波长，L为样品的扩散长度，R0为样品的表面复合速率，p0为入射到样品材料内的光子流密度，k为玻耳兹曼常数，T为温度。
本发明的另一目的在于提供一种半导体材料纳米尺度各向异性吸收系数的测量方法，包括如下步骤：
S01、开启光源组件，以发出某一发光波长的单色激发光；
S02、关闭狭缝，利用扫描开尔文探针显微镜测试无光条件下的导电针尖上的接触电势差NLCPD；
S03、开启狭缝，利用扫描开尔文探针显微镜测试在当前发光波长下的导电针尖上的接触电势差LCPD；
S04、多次改变光源组件发光的波长值，分别测量对应的接触电势差NLCPD和接触电势差LCPD，得出接触电势差NLCPD随波长变化的关系曲线NLCPD(λ)和接触电势差LCPD随波长变化的曲线LCPD(λ)；
S05、根据DCPD(λ)＝LCPD(λ)-NLCPD(λ)得到差值DCPD随波长变化的曲线DCPD(λ)；
S06、计算当前偏振角度的激发光的吸收系数α：
Figure BDA0002431669680000032
其中，λ为激发光的波长，L为样品的扩散长度，R0为样品的表面复合速率，p0为入射到样品材料内的光子流密度，k为玻耳兹曼常数，T为温度；
S07、改变激发光的偏振角度，计算对应偏振角度下的吸收系数，即得各向异性吸收系数。
作为其中一种实施方式，所述步骤S01前还包括：
S002、移动样品台，在大致测试区域使导电针尖逼近样品表面，利用扫描开尔文探针显微镜测试样品表面形貌，根据形貌将导电针尖放置在目标位置。
作为其中一种实施方式，所述步骤S01前还包括：
S001、将样品放置在样品台上，并将样品接地。
作为其中一种实施方式，所述光源组件包括光源、单色仪和起偏装置，所述单色仪用于接收所述光源发出的光而产生连续波长的单色光，所述起偏装置用于接收所述单色仪发出的单色光而产生线性偏振光；在所述步骤S07中，所述起偏装置产生的线性偏振光的偏振角度被改变。
本发明的半导体材料纳米尺度各向异性吸收系数的测量方法依托于扫描开尔文探针显微镜，使测量吸收系数的空间分辨率大大提高，达到纳米尺度，由于结合了偏振光激发，因此实现了纳米尺度光吸收系数的各向异性的测量。
附图说明
图1为本发明实施例1的半导体材料纳米尺度各向异性吸收系数的测量装置的结构示意图；
图2为本发明实施例2的半导体材料纳米尺度各向异性吸收系数的测量方法的流程框图；
图3为本发明实施例2的扫描开尔文探针显微镜在无光时导电针尖上的接触电势差NLCPD与有光时的导电针尖上的接触电势差LCPD的差值DCPD随着光激发波长和光偏振角度变化的曲线；
图4为本发明实施例2的扫描开尔文探针显微镜的导电针尖上的接触电势差的差值DCPD随着光激发波长和光偏振角度变化的曲线；
图5为本发明实施例2的吸收系数α随着光激发波长和光偏振角度变化的曲线。
图中标号说明如下：
1-样品；
10-光源组件；
11-光源；
12-单色仪；
13-起偏装置；
20-狭缝；
30-物镜；
40-样品台；
50-导电针尖；
60-扫描开尔文探针显微镜；
70-接地组件。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
参阅图1，本实施例提供了一种半导体材料纳米尺度各向异性吸收系数的测量装置，包括光源组件10、狭缝20、物镜30、样品台40、导电针尖50以及扫描开尔文探针显微镜60，其中，光源组件10用于产生激发光，狭缝20用于控制激发光的开启与关闭，物镜30用于放大样品1表面的视野，样品台40用于承载样品1，导电针尖50与样品台40可相对移动地设置，用于逼近样品台40上的样品1的表面并与样品1间隔设置，以测试样品1的形貌与接触电势差；扫描开尔文探针显微镜60连接导电针尖50，用于测试在无光时的导电针尖50上的接触电势差NLCPD与加光时的导电针尖50上的接触电势差LCPD的差值DCPD。
这里，接触电势差CPD(Contact potential difference)即两种材料之间电连接接触时产生的接触电位差。具体地，例如，如果具有功函数φ1和φ2的两种材料金属或半导体电连接接触，它们的费米能级将重合；如果φ1>φ2，则功函数φ1的第一种材料在接触区域将获得相对于功函数φ2的另一种材料的正表面电荷。
扫描开尔文探针显微镜是基于原子力显微镜基础上扩展的一种测试模式，其测试模式是首先进行第一次形貌扫描，然后在第一次形貌扫描的基础上，将针尖抬高数十纳米，并沿着形貌扫描的轨迹扫描，同时在其导电探针上施加与形貌扫描同频率的交流电压，通过在针尖上补偿针尖和样品间的电势差，使得交流电压引起的探针机械振动消失。针尖上补偿的电势差即为测量得到的接触电势差CPD。因此，扫描开尔文探针显微镜的主要目的是能同时获得纳米尺度的形貌和针尖与样品间的接触电势差CPD。
测试半导体样品材料时，扫描开尔文探针显微镜的导电针尖50上的NLCPD与LCPD的差值DCPD随着光激发波长的变化而改变，而DCPD是与吸收系数α直接相关的物理量，再通过数据拟合的方式，进而可以得到某一光偏振角度下的吸收系数α随波长λ的变化情况。扫描开尔文探针显微镜空间分辨率可以达到纳米级别，所以能够表征出半导体材料纳米尺度的吸收系数。当半导体材料微区存在各向异性时，如果改变光偏振角度，并通过测量不同光偏振角度下的DCPD，就能得到样品材料的吸收系数随光偏振角度的变化，即纳米尺度光吸收系数的各向异性。
具体地，光源组件10包括光源11、单色仪12和起偏装置13，单色仪12用于接收光源11发出的光而产生连续波长的单色光，起偏装置13用于接收单色仪12发出的单色光而产生线性偏振光。光源11产生的光经过单色仪12分光产生某一波长的单色光，该单色光经过起偏装置13即变成线性偏振光，透过狭缝20的光穿过物镜30而到达样品表面。通过调节起偏装置13的角度参数，可以改变起偏装置13所产生的线性偏振光的偏振角度，从而测试样品在不同偏振角度下的吸收系数α。
该测量装置还具有接地的接地组件70，该接地组件70用于与样品1导通而将样品1接地，可以将样品1表面积累的电荷释放出去，避免样品表面积累电荷对导电针尖50上的接触电势差测量产生影响，提高测试精度。例如，样品台40接地，接地组件70还与样品台40导通。接地组件70具体可以包括接地电极，接地电极与样品1的表面接触，通过该电极将电荷导出至样品台40和地。
另外，样品台40可移动地设置，样品1放置于样品台40上，通过移动样品1可以将样品台40移动至导电针尖50的测试区域。
半导体材料纳米尺度各向异性吸收系数的测量装置还可以包括光功率计和温度计，光功率计、温度计分别用于测量入射到样品材料内的光子流密度p0和样品所处的温度T，光功率计和温度计可以集成在测量装置中作为测量装置的一部分，也可以是单独的结构。
吸收系数α通过下式获得：
Figure BDA0002431669680000061
其中，λ为激发光的波长，L为样品的扩散长度，R0为样品的表面复合速率，p0为入射到样品材料内的光子流密度，k为玻耳兹曼常数，T为温度。
入射到样品材料内的光子流密度p0和样品所处的温度T分别通过光功率计、温度计测量，样品的扩散长度L和表面复合速率R0可通过最小二乘法数据拟合等方法得到。
实施例2
如图2所示，本实施例提供了一种半导体材料纳米尺度各向异性吸收系数的测量方法，主要包括如下步骤：
S01、开启光源组件10，以发出某一发光波长的单色激发光；
光源组件10包括光源11、单色仪12和起偏装置13，单色仪12用于接收光源11发出的光而产生连续波长的单色光，起偏装置13用于接收单色仪12发出的单色光而产生线性偏振光。开启光源组件10时，依次打开光源11、单色仪12、起偏装置13。开启光源组件10后，需要记录此时的光的偏振角为0°，并将激发光波长设置为待测的波长范围的参数，例如400nm～350nm。
S02、关闭狭缝20，利用扫描开尔文探针显微镜60测试无光条件下的导电针尖50上的接触电势差NLCPD，即无光下的电势的测量；如图3所示，偏振角为0°、波长为400nm时，NLCPD对应的是空心黑方块。
S03、开启狭缝20，利用扫描开尔文探针显微镜60测试在当前发光波长下的导电针尖50上的接触电势差LCPD，即加光时的电势的测量；如图3所示，偏振角为0°、波长为400nm时，LCPD对应的是实心黑方块。
S04、多次改变光源组件10发光的波长值，重复上述步骤S01～S03，分别测量对应的接触电势差NLCPD和接触电势差LCPD，得出接触电势差NLCPD随波长变化的关系曲线NLCPD(λ)和接触电势差LCPD随波长变化的曲线LCPD(λ)；如图3中的实心黑色方块曲线、空心黑色方块曲线分别对应接触电势差LCPD随波长变化的曲线LCPD(λ)、接触电势差NLCPD随波长变化的关系曲线NLCPD(λ)。
S05、根据DCPD(λ)＝LCPD(λ)-NLCPD(λ)得到差值DCPD随波长变化的曲线DCPD(λ)；如图4所示，实心黑色方块曲线所示即为光偏振角为0°的DCPD(λ)曲线。
S06、经过数据拟合，计算当前偏振角度的激发光的吸收系数α：
Figure BDA0002431669680000071
其中，λ为激发光的波长，L为样品的扩散长度，R0为样品的表面复合速率，p0为入射到样品材料内的光子流密度，k为玻耳兹曼常数，T为温度。如图5所示，实心黑色方块曲线所示即为光偏振角为0°的光吸收系数曲线。
S07、改变激发光的偏振角度，计算对应偏振角度下的吸收系数，即实现各向异性测试。具体是，旋转起偏装置13，以改变激发光的偏振角度，重复上述步骤S01～S06，即得样品微区各向异性的吸收系数。图3～5中所示的灰色曲线即为光偏振角为90°对应的曲线。
在步骤S01开启光源组件10前，还需要做一系列准备工作，具体包括：
S001、样品接地：将样品(1)放置在样品台(40)上，并将样品(1)接地。
S002、确定扫描位置：移动样品台(40)，在大致测试区域使导电针尖(50)逼近样品表面，利用扫描开尔文探针显微镜(60)测试样品表面形貌，根据形貌将导电针尖(50)放置在目标位置。
S003、稳定电势测试：开启扫描开尔文探针显微镜接触电势差测量模式，得到稳定的接触电势差。
综上所述，本发明的半导体材料纳米尺度各向异性吸收系数的测量方法依托于扫描开尔文探针显微镜，使测量吸收系数的空间分辨率大大提高，达到纳米尺度，通过改变光偏振角度，并通过测量不同光偏振角度下的DCPD，即可得到样品材料的吸收系数随光偏振角度的变化，因此实现了纳米尺度光吸收系数的各向异性的测量。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种半导体材料纳米尺度各向异性吸收系数的测量装置，其特征在于，包括：
光源组件(10)，用于产生激发光；
狭缝(20)，用于控制激发光的开启与关闭；
物镜(30)，用于放大样品(1)表面的视野；
样品台(40)，用于承载样品(1)；
导电针尖(50)，与所述样品台(40)可相对移动地设置，用于逼近所述样品台(40)上的样品(1)的表面并与样品(1)间隔设置，以测试样品(1)的形貌与接触电势差；以及
扫描开尔文探针显微镜(60)，连接所述导电针尖(50)，用于测试在无光时的所述导电针尖(50)上的接触电势差NLCPD与加光时的所述导电针尖(50)上的接触电势差LCPD的差值DCPD。
2.根据权利要求1所述的半导体材料纳米尺度各向异性吸收系数的测量装置，其特征在于，所述光源组件(10)包括光源(11)、单色仪(12)和起偏装置(13)，所述单色仪(12)用于接收所述光源(11)发出的光而产生连续波长的单色光，所述起偏装置(13)用于接收所述单色仪(12)发出的单色光而产生线性偏振光。
3.根据权利要求1所述的半导体材料纳米尺度各向异性吸收系数的测量装置，其特征在于，还包括接地的接地组件(70)；所述接地组件(70)用于与样品(1)导通，且所述接地组件(70)与所述样品台(40)导通；所述样品台(40)与地导通。
4.根据权利要求1所述的半导体材料纳米尺度各向异性吸收系数的测量装置，其特征在于，所述样品台(40)可移动地设置，用于移动样品(1)至所述导电针尖(50)的测试区域。
5.根据权利要求1～4任一所述的半导体材料纳米尺度各向异性吸收系数的测量装置，其特征在于，还包括光功率计和温度计，所述光功率计、所述温度计分别用于测量入射到样品材料内的光子流密度p0和样品所处的温度T；吸收系数α通过下式获得：
Figure FDA0002431669670000021
其中，λ为激发光的波长，L为样品的扩散长度，R0为样品的表面复合速率，p0为入射到样品材料内的光子流密度，k为玻耳兹曼常数，T为温度。
6.一种半导体材料纳米尺度各向异性吸收系数的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01、开启光源组件(10)，以发出某一发光波长的单色激发光；
S02、关闭狭缝(20)，利用扫描开尔文探针显微镜(60)测试无光条件下的导电针尖(50)上的接触电势差NLCPD；
S03、开启狭缝(20)，利用扫描开尔文探针显微镜(60)测试在当前发光波长下的导电针尖(50)上的接触电势差LCPD；
S04、多次改变光源组件(10)发光的波长值，分别测量对应的接触电势差NLCPD和接触电势差LCPD，得出接触电势差NLCPD随波长变化的关系曲线NLCPD(λ)和接触电势差LCPD随波长变化的曲线LCPD(λ)；
S05、根据DCPD(λ)＝LCPD(λ)-NLCPD(λ)得到差值DCPD随波长变化的曲线DCPD(λ)；
S06、计算当前偏振角度的激发光的吸收系数α：
Figure FDA0002431669670000022
其中，λ为激发光的波长，L为样品的扩散长度，R0为样品的表面复合速率，p0为入射到样品材料内的光子流密度，k为玻耳兹曼常数，T为温度；
S07、改变激发光的偏振角度，计算对应偏振角度下的吸收系数，即得各向异性吸收系数。
7.根据权利要求6所述的半导体材料纳米尺度各向异性吸收系数的测量方法，其特征在于，所述步骤S01前还包括：
S002、移动样品台(40)，在大致测试区域使导电针尖(50)逼近样品表面，利用扫描开尔文探针显微镜(60)测试样品表面形貌，根据形貌将导电针尖(50)放置在目标位置。
8.根据权利要求6所述的半导体材料纳米尺度各向异性吸收系数的测量方法，其特征在于，所述步骤S01前还包括：
S001、将样品(1)放置在样品台(40)上，并将样品(1)接地。
9.根据权利要求6～8任一所述的半导体材料纳米尺度各向异性吸收系数的测量方法，其特征在于，所述光源组件(10)包括光源(11)、单色仪(12)和起偏装置(13)，所述单色仪(12)用于接收所述光源(11)发出的光而产生连续波长的单色光，所述起偏装置(13)用于接收所述单色仪(12)发出的单色光而产生线性偏振光；在所述步骤S07中，所述起偏装置(13)产生的线性偏振光的偏振角度被改变。
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