CN113358607A - 一种对低维半导体载流子漂移过程直接成像的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种对低维半导体载流子漂移过程直接成像的方法。该方法包括，利用载流子传输层实现载流子的空间分离，使样品内只存在单一种类的载流子(电子或空穴)；通过平行板电容施加空间上均匀分布的外部电场；使用瞬态吸收显微系统对不同时间延迟下的载流子分布情况进行直接成像；通过高斯曲线拟合得到载流子的平均漂移距离，进一步结合场强大小与时间延迟拟合计算电子(或空穴)的迁移率。本发明克服了传统方法无法对低维半导体材料迁移率进行精确测量的局限性，并且提出了对单一种类载流子迁移率测量的方法，为揭示材料的光物理过程、探究对材料迁移率的影响因素提供实验测量方法。

Description

一种对低维半导体载流子漂移过程直接成像的方法

技术领域

本发明涉及在电场作用下对载流子漂移过程的高时空分辨率直接成像方法，特别涉及对低维半导体材料单一种类载流子(电子或空穴)漂移过程直接成像的方法。属于超快检测领域。

背景技术

半导体材料的载流子(电子、空穴)迁移率是衡量半导体光电性能的重要参数，直接决定了以半导体为基础的光电转换器件的性能。传统的测量方法是测量材料的电学参数，通过对测得电学参数的拟合得到对应载流子的迁移率，例如使用霍尔效应法，渡越时间法等。此类方法不仅对测试样品的性质有特定的需求，如样品几何特征和大小，样品与电极功函数的差值等因素，而且是一种间接测量方式，通过电信号变化表征载流子漂移过程的平均效应，无法对载流子漂移过程进行直接成像观测。

随着低维半导体材料以及微纳器件的发展，对此类材料载流子迁移率、扩散常数的精确测量，对于光子-材料相互作用的物理机制的揭示以及电子元器件的应用尤为重要。但是对于低维材料来说，其几何尺寸会在一个或多个维度上趋于纳米级或原子级大小，无法满足传统测量方法中对于待测样品几何大小的需求；同时，利用金属电极为材料施加外部电压时，金属电极与半导体材料界面形成肖特基势垒，很难在一定的电压范围内使电极与材料保持欧姆接触，因而无法得到理想的电压-电流测试曲线，进而影响对迁移率的拟合结果。在使用不同的测试方法对同一种材料进行测量时，由于测试原理的不同，测试结果会出现1-2个量级上的差距。

低维材料由于其在一个或多个维度上的尺寸与波尔半径相当，因此材料会体现出较强的量子限域效应。光生载流子一般以激子的形式存在，自由电子和自由空穴的密度低且难以准确计算，进而影响对迁移率的测量与拟合计算；另外，低维材料还会受到原子空位，掺杂等因素的影响，或由于电子与空穴的有效质量不同，可能会出现电子与空穴的迁移率差距较大的情况，而现有技术无法对电子或空穴其中的一种进行单独测量，无法精确的获取单一种类载流子(电子或空穴)的迁移率，进而限制了对材料光电性质的研究及应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统通过电信号测量的方法进行间接测量带来的系统测试误差以及无法分别对电子空穴迁移率进行测量的问题，提供一种对低维半导体载流子漂移过程直接成像的方法；本发明基于瞬态吸收光谱测试系统，结合二型半导体异质结的结构，促进电子与空穴的在空间上的分离，实现对单一种类载流子(电子或空穴)漂移过程的直接成像，进一步拟合得到单一种类载流子的迁移率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

样品制备方面，通过二型半导体范德华异质结制备实现电子与空穴在空间上进行分离，以达到被测样品中只存在单一种类的载流子(电子或空穴中的一种)的目的。即当待测载流子类型为电子(空穴)时，样品搭配空穴(电子)传输层构建范德华异质结。对于两种材料的能带结构，要求空穴(电子)传输层的导带底高于(低于)待测样品的导带底；空穴(电子)传输层的价带顶低于(高于)待测样品的导带顶。

电子或空穴传输层应使用载流子迁移率较高，且层间迁移速率快的样品，并且保证传输层材料本身为二维材料，以防止表面悬挂键、晶格失配等问题影响材料的本征性质，以影响探测。

在空间上通过平行金属板来施加空间电场，通过施加电压大小改变空间电场的场强大小，同时保证样品放置于平行板的中央，以忽略边缘效应。

为得到不同时间延迟下的载流子空间分布情况，采用一维线性平移台进行光程的控制来测试不同时间下的光生载流子分布情况，通过二维振镜使得探测光在样品表面进行扫描以得到不同位置的光生载流子密度。通过在固定的时间延迟下，依次改变二维振镜的控制电压值，即得到不同时间延迟下的载流子密度分布图。

激发光与探测光均通过空间滤波系统进行空间整形，保证两束光在空间上的分布满足高斯分布，以提高拟合的准确性。

根据被测样品的能带结构以及所测载流子(电子或空穴)所在的能谷位置，计算对应载流子从基态跃迁至此激发态所需的能量大小。一般的，使得激发光的单光子能量高于此能量大小，同时使探测光的波长与此能量共振。

在得到不同时间延迟下载流子的空间分布情况后，观察随着时间延迟的增大，载流子的密度分布是否在扫描空间表面满足二维高斯分布，如满足则载流子为均匀的漂移过程，不满足则载流子漂移过程不均匀。

对于载流子漂移运动均匀的情况，每个时间延迟下的光生载流子密度均可通过高斯分布进行拟合，拟合公式为：

式中t₂为时间延迟，(x_t2,y_t2)即为t₂时刻高斯峰的坐标值，n(x,y,t₂)表示载流子密度随坐标和时间的函数，N₂为拟合系数，

和

分别表示在x和y方向上的高斯曲线方差。通过峰值位置随时间延迟的变化，即计算拟合得到载流子平均漂移速度。信号拟合示意图如附图2所示。

对于载流子漂移运动不均匀的情况，在扫描平面内选取沿电场方向的若干条线，对每一条线上的数据进行一维高斯分布曲线进行拟合，拟合公式为：

式中t₁为时间延迟，x_t1即为t₁时刻高斯峰的坐标值，n(x,t₁)表示载流子密度随坐标和时间的函数，N₁为拟合系数，

表示在x方向上的高斯曲线方差。通过拟合获得不同时间延迟下高斯曲线的峰值位置，计算得到在此条选取的数据线上的载流子漂移速度；进一步通过选取多条沿电场方向的数据线进行拟合，将漂移速度取平均得到样品的平均漂移速度。信号拟合示意图如附图3所示。

由于二型半导体异质结形成的内建电场只存在于两种界面的界面处(耗尽层内)，因此光生电子与空穴只有在界面处，需保证测试区域均在异质结界面的影响范围内。

有益效果

1、该方法实现了在外加电场的作用下，对光生载流子密度的空间分布进行直接成像，并且配合时间延迟平台的使用，直接得到在不同时间延迟下，由于外部电场作用导致光生载流子密度的空间分布变化，配合使用载流子传输层，使被测材料中只保留电子或空穴的一种，最后对得到的数据利用高斯曲线模型进行拟合，在高时空分辨率的情况下对单一种类载流子(电子或空穴)迁移率进行直接计算，免除了其他方法由于间接测量所带来的系统误差。

2、系统的空间分辨率取决于对高斯峰值位置的拟合结果，区分于其他光学探测系统中空间分辨率依赖于光斑的衍射极限。对高斯曲线的拟合精度，即系统的空间分辨率由平移台位移精度，系统探测信号的信噪比大小决定。通过使用高重频激光以及锁相放大器，提高系统的探测信噪比，使用纳米级精度位移台，使系统的空间测量精度突破光学衍射极限。

附图说明

图1是本发明的光路原理示意图。

图2为载流子均匀扩散下，根据不同延迟下的信号强度分布拟合载流子迁移速率示意图。

图3为载流子非均匀扩散下，根据不同延迟下的信号强度分布拟合载流子迁移速率示意图。

其中，1—飞秒激光光源、2—分束镜、3—光学参量放大器、4—空间滤波系统、5—声光调制器高频开关、6—第一反射镜、7—时间延迟平台、8—第二反射镜、9—第三反射镜、10—二维振镜、11—第四反射镜、12—合束镜、13—成像分束镜、14—成像系统、15—聚焦物镜、16—三维位移台、17—空间平行板电容、18—待测样品、19—透射信号收集物镜、20—雪崩二极管、21—反射收集光路反射镜、22—反射收集光路分束镜。

具体实施方式

以下结合附图中实例光路对本发明测试方法作进一步说明。

样品制备：根据被测材料的能带结构以及所测载流子类型(电子或空穴)，选择对应的载流子传输层。载流子传输层与被测材料形成二型半导体，当被测载流子为电子(空穴时)，选用空穴(电子)传输层，使得被测材料的导带底(价带顶)低于空穴(电子)传输层的导带底(价带顶)。

通过机械剥离或CVD生长的方式获得单层或少层的载流子传输层，将载流子传输层利用干式转移法转移至被测样品表面以形成异质结区域。载流子传输层需保证有较高的载流子迁移率以及载流子层间转移效率，可选择但不限于单层或少层过渡金属二硫化物，不可使用如石墨烯等无带隙或呈现金属特性的二维材料。

如附图1所示，飞秒激光光源1通过分束镜2分为两束光，通过光学参量放大器3改变两束光的波长，分别作为探测中使用的激发光和探测光对于两束光波长的选择，首先确认探测的载流子类型(电子或空穴)以及所需探测的载流子在能谷中的位置；后计算对应载流子从基态跃迁至此激发态所需的能量。

激发光波长选择：为保证样品充分激发，同时考虑到对于间接半导体载流子的谷间散射消耗的能量，一般激发光对应的单光子能量应大于载流子从基态跃迁至激发态所需的能量，一般可选择两能量差值大于0.5eV。

探测光波长选择：保证探测光的波长与对应载流子从基态跃迁至所测激发态所需能量共振，利用瞬态吸收系统中的基态漂白信号对载流子密度进行探测。例如对于二硫化钼材料，对于K/K’能谷的自由电子迁移率的测量，应取探测光单光子能量为A激子能量+A激子结合能；，对于Γ点和Λ点之间的能谷中电子，应考虑平行带跃迁效应，取探测光单光子能量为C激子能量+C激子结合能。对于热电子或禁阻跃迁态电子，可根据其激发态吸收信号，探测其载流子密度。

为保证系统具有较高的空间分辨率以及保证拟合结果的准确性，需保证激发光和探测光在空间上满足高斯分布，在激发光和探测光光路中加入空间滤波系统4，通过将光束聚焦通过合适大小的小孔，以去除光束随空间变化的强度噪声，小孔大小由入射光直径、波长和聚焦透镜焦距决定，计算公式为：小孔直径

式中λ为入射光波长，f为透镜焦距，r为入射光半径。

激发光和探测光的之间的时间延迟通过空间光程差来实现，探测光通过第一反射镜6垂直打进时间延迟平台7，通过维高精度平移台上面互相垂直反射镜的反射，以实现对于光程的高精度控制。采样间隔最小为200fs，即保证一维平移台的精度最小为30um。

探测光通过延迟平台后，由第二反射镜8、第三反射镜9将光平行打入二维振镜10中，通过二维振镜10的反射后打到合束镜12的中心；激发光通过第四反射镜11打到合束镜12的相同位置，将激发光和探测光合束。通过聚焦物镜15将合束后的光聚焦在待测样品18表面。在此情况下，二自由度振镜中反射镜角度的改变只会改变探测光在样品上的聚焦位置，而不会影响激发光在样品表面的激发位置，通过对二维振镜10输入一系列的电压值，使得振镜中的两个反射镜角度交替扫描过一定的角度，进而实现对二维平面的扫描，得到信号强度随二维平面坐标变化的矩阵数据。

对于被测材料为二维或一维材料的情况，材料厚度为原子级厚度，采用透射式测量方法，通过透射信号收集物镜19，将透射的探测光收集进入雪崩二极管20，收集信号反应了在厚度方向上的载流子整体行为，以获得整体的载流子漂移信息；对于被测材料为薄膜样品或样品厚度比电子/空穴传输层的厚度大一个量级的情况，采用反射式测量方法，并保证从载流子传输层一侧入射，探测光通过聚焦物镜15原路返回，通过反射收集光路分束镜22以及反射收集光路反射镜21导入雪崩二极管20。收集的信号均来自于异质结界面，以排除在样品厚度方向上由于载流子扩散等原因对测试结果的影响。

一般情况下低维材料以及载流子传输层尺度较小，利用成像分束镜13和成像系统14配合三维位移台16确认探测、扫描的区域，以保证探测区域均停留在耗尽层内、利用内建电场使电子/空穴充分空间分离。

在样品区域通过空间平行板电容17施加在空间上均匀分布的电场，将样品放置在平行板电容器的中心位置，以忽略边缘效应。通过改变施加在平行板电容器两边的电压以控制场强的大小。另外系统也兼容在样品表面镀金属电极，通过外部探针连接金属电极为样品施加外部电场。

改变测试的时间延迟，即改变时间延迟平台7的位置，得到不同时间延迟下载流子密度(信号强度)在扫描平面内的分布情况，判断随着时间延迟的增加，在扫描的二维平面内信号是否满足二维高斯分布，以判断漂移过程的均匀性，根据漂移过程的均匀与否使用不同的方法进行拟合。

对于漂移过程均匀(信号随时间延迟的增加仍满足二维高斯分布)的场景，其信号拟合原理图如附图2所示，分别在时间延迟t1和t2下扫描得到两组矩阵数据，通过高斯拟合公式：

进行拟合，此时不妨设外加电场E方向为x的方向，后拟合得到t1和t2时间延迟下两个高斯光峰值坐标：(x_t1,y_t1)和(x_t2,y_t2)，其中y_t1≈y_t2。即获得的平均载流子漂移速度为：

即拟合得到的迁移率为：

式中E为17-空间平行板电容施加的空间电场大小。

对于漂移过程不均匀(信号随时间延迟的增加不满足二维高斯分布)的场景，其信号拟合原理图如附图3所示。选择电场方向为x方向，保持y方向固定，选择单一x方向上不同时间延迟下的信号强度分布值，通过高斯曲线拟合公式：

得到t1和t2时刻下两个高斯曲线峰值的中心坐标(x_t1，x_t2)，由此推算出此y值对应下的载流子漂移速度：

以一定的间隔密度选取y值并进行拟合，则得到平均载流子漂移速度：

求得平均载流子漂移速度计算得到迁移率：

式中E为空间平行板电容17施加的空间电场大小。

系统空间测量精度由探测系统的信噪比与平移台的位移精度共同确定。不妨认为0时刻高斯拟合曲线的中心坐标为x₀，对于平均漂移速度：

x₁为t₁时刻高斯拟合曲线的中心坐标，对此公式进行误差分析，可得

其中△x₁与△x₀为高斯拟合曲线的中心坐标的误差，值取决于系统的信噪比，△t取决于平移台的位移精度

其中，c为光速，△y为位移台的位移精度。位移台精度决定于仪器参数，△x₁与△x₀的信噪比可以通过使用锁相放大器配合声光调制器高频开关5调制的激光进行提高，使用MHz频率对激光脉冲进行调制，可以除去由于激光能量波动带来的噪声(直流至10khHz级别)，对于每个像素的扫描探测时间应明显长于调制周期，以降低检测系统的电学噪声。因此系统在高信噪比情况下，空间测量精度高于光学衍射极限。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种对低维半导体载流子漂移过程直接成像的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、选取载流子传输层，所述载流子传输层的导带底高于待测样品的导带底；空穴传输层的价带顶低于待测样品的导带顶；或者，所述载流子传输层的导带底低于待测样品的导带底；电子传输层的价带顶高于待测样品的导带顶；所述载流子传输层与待测样品形成二型半导体结构，使得待测样品中只存在单一种类的载流子，即仅存在电子或空穴；

步骤二、对步骤一得到的待测样品放置于三维位移台上，并施加均匀的外部电场；

步骤三、使用瞬态吸收探测系统对异质结区域进行扫描探测，得到不同时间延迟下光生载流子空间分布情况；

判断随时间延迟增加载流子漂移过程的均匀性，然后使用不同的高斯曲线拟合模型进行拟合；

拟合计算获得在外部电场作用下的平均漂移速度，进而计算单一种类(电子或空穴)载流子的迁移率。

2.如权利要求1所述的对低维半导体载流子漂移过程直接成像的方法，其特征在：步骤四所述判断均匀性的方法为：判断在不同时间延迟下，光生载流子密度分布，即信号分布是否在扫描平面内满足二维高斯分布，满足即漂移过程均匀，不满足即漂移过程不均匀。

3.如权利要求1或2所述的对低维半导体载流子漂移过程直接成像的方法，其特征在于：当光生载流子漂移过程均匀时，使用公式：

进行拟合，式中t₂为时间延迟，(x_t2,y_t2)即为t₂时刻高斯峰的坐标值，n(x,y,t₂)表示载流子密度随坐标和时间的函数，N₂为拟合系数，

和

分别表示在x和y方向上的高斯曲线方差。通过获取不同时间延迟下的拟合结果中心坐标(x_t2,y_t2)拟合计算载流子迁移率。

4.如权利要求1或2所述的对低维半导体载流子漂移过程直接成像的方法，其特征在于：当光生载流子漂移过程非均匀时，在沿电场方向上选取数据点若干，使用公式：

进行拟合，式中t₁为时间延迟，x_t1即为t₁时刻高斯峰的坐标值，n(x,t₁)表示载流子密度随坐标和时间的函数，N₁为拟合系数，

表示在x方向上的高斯曲线方差。通过获取不同时间延迟下的拟合结果中心坐标x_t，拟合计算得到该数据线上的载流子平均漂移速度，后选取若干条数据线取平均，得到载流子的平均迁移速率，后拟合得到所测载流子的迁移率。

5.如权利要求1所述的对低维半导体载流子漂移过程直接成像的方法，其特征在：利用高重频调制的激发光与锁相放大器，提高系统的测试信噪比。

6.如权利要求1所述的对低维半导体载流子漂移过程直接成像的方法，其特征在于：所述瞬态吸收探测包括：飞秒激光光源1通过分束镜2的作用以及光学参量放大器3得到两束波长不同的激发光与探测光，探测光通过时间延迟平台7调整探测时间延迟，并通过振镜10在样品表面进行扫描，激发光通过声光调制器高频开关5进行高频调制，后通过合束镜12与探测光合束，最终利用雪崩二极管20进行信号的采集与测量。

7.如权利要求1所述的对低维半导体载流子漂移过程直接成像的方法，其特征在：探测光的波长应与对应载流子从基态跃迁至所测激发态所需能量共振。

Images