CN114414969A - 半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置和方法。该测量装置包括：光源组件，用于产生单色光和脉冲光；样品台，用于承载半导体样品或石墨样品；导电针尖，用于逼近承载于样品台上的半导体样品的表面目标区域或石墨样品，且与半导体样品或石墨样品间隔设置；及扫描开尔文探针显微镜，连接导电针尖，且用于在无光和加单色光时分别获取逼近表面目标区域的导电针尖上的第一接触电势差和第二接触电势差，且用于获取逼近石墨样品的导电针尖上的第三接触电势差；光谱探测器，用于在加脉冲光时获取表面目标区域的少数载流子的寿命；计算装置，用于根据第一接触电势差、第二接触电势差、第三电势差以及少数载流子的寿命计算出所述扩散系数。

Description

半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置和方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体地讲，涉及一种半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置和方法。

背景技术

常见的测量半导体材料的载流子扩散系数的方法是霍尔法(Hall)，这种测量方法是直接利用霍尔效应测试出载流子的迁移率，然后再根据爱因斯坦关系

得到载流子扩散系数。

然而，上述这种测量方法测得的是多数载流子的扩散系数。而半导体材料的性能常常受制于少数载流子的动力学性质。目前，通常采用光激发的测量条件来研究半导体材料的少数载流子的扩散系数，比如光诱导瞬态光栅技术(LITG)以及渡越时间技术(TOF)等。但是这两种方法的空间分辨率有限，无法研究半导体材料中纳米尺度的结构对扩散系数的影响。此外，对于半导体材料，位错等缺陷对扩散系数有重大的影响，因此迫切需要研究缺陷等纳米尺度的结构对载流子动力学性质的影响。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的技术问题，根据本发明的实施例提供了一种半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置和方法。

根据本发明的实施例的一方面提供的一种半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置，其包括：光源组件，用于产生单色光和脉冲光；样品台，用于承载半导体样品或石墨样品；导电针尖，与所述样品台可相对移动地设置，所述导电针尖用于逼近承载于所述样品台上的所述半导体样品的表面目标区域或所述石墨样品，且与所述半导体样品或所述石墨样品间隔设置；以及扫描开尔文探针显微镜，连接所述导电针尖，所述扫描开尔文探针显微镜用于在无光和加所述单色光时分别获取逼近所述表面目标区域的所述导电针尖上的第一接触电势差和第二接触电势差，且用于获取逼近所述石墨样品的所述导电针尖上的第三接触电势差；光谱探测器，用于在加所述脉冲光时获取所述半导体样品的表面目标区域的少数载流子的寿命；计算装置，用于根据所述第一接触电势差、所述第二接触电势差、所述第三所述电势差以及所述少数载流子的寿命计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子的扩散系数。

在上述一方面提供的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置的一个示例中，所述计算装置包括：第一计算单元，用于根据所述第一接触电势差和所述第二接触电势差计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L；第二计算单元，用于根据所述第一接触电势差和所述第三接触电势差计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W；第三计算单元，用于利用所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L减去所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W，以得到所述表面目标区域的空间电荷区的扩散长度L；第四计算单元，用于根据所述表面目标区域的空间电荷区的扩散长度L和所述少数载流子的寿命τ计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子扩散系数D。

在上述一方面提供的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置的一个示例中，所述第四计算单元进一步用于利用下面的式子1，并根据所述表面目标区域的空间电荷区的扩散长度L和所述少数载流子的寿命τ计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子扩散系数D，

[式子1]D＝L²/τ。

在上述一方面提供的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置的一个示例中，所述第一计算单元进一步用于利用所述第二接触电势差减去所述第一接触电势差，以得到所述表面目标区域的表面光电压光谱SPV(λ)，且利用下面的式子2和所述表面光电压光谱拟合出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L，

[式子2]

其中，k₀为玻耳兹曼常数，T为温度，α(λ)为所述半导体样品的吸收系数谱，R₀为所述半导体样品的表面复合速率，P(λ)为所述单色光入射到所述半导体样品上的光子流密度，q为单个电子的电荷量。

在上述一方面提供的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置的一个示例中，所述第二计算单元进一步用于利用下面的式子3并根据所述第三接触电势差和所述第一接触电势差计算出所述半导体样品的能带弯曲V_b，且利用下面的式子4并根据所述半导体样品的能带弯曲V_b计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W，

[式子3]V_b＝(φ_graphene-χ_{semicondictor}-eV-φ_n)/e

[式子4]

其中，V等于所述第一接触电势差减去所述第三接触电势差，所述半导体样品的费米面距离价带顶的距离

k₀为玻耳兹曼常数，T为温度，q为单个电子的电荷量，N_C为所述半导体样品的导带的有效状态密度，N为所述半导体样品的载流子浓度，φ_graphene为所述石墨样品的功函数，χ_{semiconductor}为所述半导体样品的亲合能。

根据本发明的实施例的另一方面提供的一种半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量方法，其包括：在无光入射至半导体样品的情况下，利用连接已逼近所述半导体样品的表面目标区域的导电针尖的扫描开尔文探针显微镜获取所述导电针尖上的第一接触电势差；在单色光入射至所述半导体样品的情况下，利用连接已逼近所述半导体样品的表面目标区域的导电针尖的扫描开尔文探针显微镜获取所述导电针尖上的第二接触电势差；在脉冲光入射至所述半导体样品的情况下，利用光谱探测器获取所述半导体样品的表面目标区域的少数载流子的寿命；在无光入射至石墨样品的情况下，利用连接已逼近所述石墨样品的表面目标区域的导电针尖的扫描开尔文探针显微镜获取所述导电针尖上的第三接触电势差；根据所述第一接触电势差、所述第二接触电势差、所述第三所述电势差以及所述少数载流子的寿命计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子的扩散系数。

在上述一方面提供的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量方法的一个示例中，所述根据所述第一接触电势差、所述第二接触电势差、所述第三所述电势差以及所述少数载流子的寿命计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子的扩散系数，具体包括：根据所述第一接触电势差和所述第二接触电势差计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L；根据所述第一接触电势差和所述第三接触电势差计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W；利用所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L减去所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W，以得到所述表面目标区域的空间电荷区的扩散长度L；根据所述表面目标区域的空间电荷区的扩散长度L和所述少数载流子的寿命τ计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子扩散系数D。

在上述一方面提供的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量方法的一个示例中，所述根据所述表面目标区域的空间电荷区的扩散长度L和所述少数载流子的寿命τ计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子扩散系数D，具体包括：利用下面的式子1且根据所述表面目标区域的空间电荷区的扩散长度L和所述少数载流子的寿命τ，计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子扩散系数D，

[式子1]D＝L²/τ。

在上述一方面提供的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量方法的一个示例中，所述根据所述第一接触电势差和所述第二接触电势差计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L，具体包括：

利用所述第二接触电势差减去所述第一接触电势差，以得到所述表面目标区域的表面光电压光谱SPV(λ)；

利用下面的式子2以及所述表面光电压光谱拟合出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L，

[式子2]

其中，k₀为玻耳兹曼常数，T为温度，α(λ)为所述半导体样品的吸收系数谱，R₀为所述半导体样品的表面复合速率，P(λ)为所述单色光入射到所述半导体样品上的光子流密度，q为单个电子的电荷量。

在上述一方面提供的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量方法的一个示例中，所述根据所述第一接触电势差和所述第三接触电势差计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W，具体包括：

利用下面的式子3并根据所述第三接触电势差和所述第一接触电势差计算出所述半导体样品的能带弯曲V_b，

[式子3]V_b＝(φ_graphene-χ_{semicondictor}-eV-φ_n)/q

且利用下面的式子4并根据所述半导体样品的能带弯曲V_b计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W，

[式子4]

其中，V等于所述第一接触电势差减去所述第三接触电势差，所述半导体样品的费米面距离价带顶的距离

k₀为玻耳兹曼常数，T为温度，q为单个电子的电荷量，N_C为所述半导体样品的导带的有效状态密度，N为所述半导体样品的载流子浓度，φ_graphene为所述石墨样品的功函数，χ_{semiconductor}为所述半导体样品的亲合能。

有益效果：本发明基于扫描开尔文探针显微镜而使得测量半导体材料的少数载流子扩散系数的空间分辨率大大提高，实现纳米尺度少数载流子扩散系数的测量。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

图1是根据本发明的实施例的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置的结构示意图；

图2是根据本发明的实施例的测量装置的计算装置的单元结构图；

图3是根据本发明的实施例的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量方法的流程图；

图4是根据本发明的实施例的纳米压痕在半导体样品上产生的位错在扫描开尔文探针显微镜中的示意图；

图5中的a图是随波长变化的第二接触电势差和表面光电压光谱的示意图，b图是半导体样品的吸收系数谱的示意图，c图是半导体样品的光功率密度的示意图；

图6是根据本发明的实施例的拟合半导体材料的位错处的少数载流子寿命的示意图；

图7是根据本发明的实施例的石墨样品的第三接触电势差的曲线图；

图8是根据本发明的实施例的利用最小二乘法数据拟合方法拟合出的半导体样品的表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L的示意图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的具体实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。

如本文中使用的，术语“包括”及其变型表示开放的术语，含义是“包括但不限于”。术语“基于”、“根据”等表示“至少部分地基于”、“至少部分地根据”。术语“一个实施例”和“一实施例”表示“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”表示“至少一个其他实施例”。术语“第一”、“第二”等可以指代不同的或相同的对象。下面可以包括其他的定义，无论是明确的还是隐含的。除非上下文中明确地指明，否则一个术语的定义在整个说明书中是一致的。

接下来，在描述本发明的具体实施例之前，先对本发明的实施例中所采用的一些术语进行详细介绍。

扫描开尔文探针显微镜：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装置，其常用的测试模式是在第一次形貌扫描的基础上，将针尖抬高数十纳米，沿着形貌扫描的轨迹扫描，同时在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。

表面空间电荷区的宽度：针对半导体，晶体的周期性结构在表面被缺陷破坏，而表面上这种周期性结构的终止以及与该终止相关的表面化学变化允许在半导体带隙内形成表面态。该表面态会导致半导体体内与表面之间的电荷转移，从而在两者之间建立了热平衡。因此，半导体表面附近的自由载流子密度偏离了本体中的平衡值，这导致半导体存在表面空间电荷区域(SCR)。

表面光电压谱：表面光电压光谱SPV(λ)是一种成熟的非接触式半导体表征技术，它反映了光诱导的表面电势的变化。以N型半导体为例，多数载流子是电子，其中部分电子被表面态捕获，在表面形成SCR。当激发光(其能量大于半导体带隙)作用于半导体表面时，产生非平衡载流子，非平衡载流子进行重新分布，改变样品的表面电势，形成表面光电压(SPV)，而随入射光波长变化的SPV称表面光电压谱SPV(λ)。

时间分辨光致发光谱：时间分辨光致发光谱(TRPL)是一种研究载流子寿命的表征手段，它反映了载流子发生复合的过程。对于半导体，当脉冲光的能量大于半导体带隙且作用于半导体表面时，半导体受激发产生电子空穴对。自由电子从导带掉落到价带与空穴发生辐射复合而产生光的过程称为光致发光(PL)。PL的强度I随时间t变化，称为时间分辨光致发光谱(TRPL)，可以通过时间分辨探测器得到。根据I(t)的衰减曲线进行指数拟合能够得到载流子的荧光寿命。

接下来，将结合附图对根据本发明的实施例的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置和测量方法进行详细描述。

在接下来介绍根据本发明的实施例的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置和测量方法中，所采用的半导体样品可例如是GaN样品，但本发明并不限制于此。进一步地，GaN样品上设置有样品电极，其作用将在下面进行描述。

图1是根据本发明的实施例的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置的结构示意图。

根据本发明的实施例的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置包括：光源组件100、样品台200、导电针尖300、扫描开尔文探针显微镜400、光谱探测器(或称时间分辨探测器)500以及计算装置600。

具体地，光源组件100用于产生单色光和脉冲光。在本实施例中，作为一个示例，光源组件100包括单色光光源110、第一快门开关120、反射镜130、脉冲光光源140、第二快门开关150、第一半透半反射镜160、第二半透半反射镜170和物镜180，这些部件的具体作用将在下面描述。

样品台200用于承载半导体样品或石墨样品。

导电针尖300与样品台200可相对移动地设置.导电针尖300用于逼近承载于样品台200上的所述半导体样品的表面目标区域或所述石墨样品，并且导电针尖300与所述半导体样品或所述石墨样品间隔设置。其中，所述表面目标区域中存在表面空间电荷区域SCR。

扫描开尔文探针显微镜400连接导电针尖300。所述扫描开尔文探针显微镜用于在无光时获取逼近所述表面目标区域的导电针尖300的第一接触电势差。

扫描开尔文探针显微镜400还用于加单色光时获取逼近所述表面目标区域的导电针尖300的第二接触电势差。这里，具体地，单色光光源110产生单色光，所述单色光通过打开的第一快门开关120，并经由反射镜130反射依次通过第一半透半反射镜160、第二半透半反射镜170和物镜180而入射至半导体样品的表面目标区域上，如此可以实现在半导体样品的表面目标区域上入射单色光，即上述的加单色光至半导体样品的表面目标区域上。

扫描开尔文探针显微镜400还用于在无光时获取逼近所述石墨样品的导电针尖300的第三接触电势差。这里，应当说明的是，所述无光指的是第一快门开关120和第二快门开关150均被关闭，无任何光入射至样品上。

光谱探测器500用于在加所述脉冲光时获取半导体样品的表面目标区域的少数载流子的寿命。这里，具体地，脉冲光光源140产生所述脉冲光，所述脉冲光通过打开的第二快门开关150，并经由第一半透半反射镜160反射依次通过第二半透半反射镜170和物镜180而入射至半导体样品的表面目标区域上(例如与单色光入射的半导体样品上的相同的位错处)，脉冲光激发半导体样品产生光致发光荧光，该荧光通过物镜180并经由第二半透半反射镜170反射至光谱探测器500，从而光谱探测器500获得荧光信号强度随时间的变化I(t)，对荧光信号强度随时间的变化I(t)进行指数拟合得到少数载流子的寿命τ。如此可以实现在半导体样品的表面目标区域上入射脉冲光，即上述的加脉冲光至半导体样品的表面目标区域上。

计算装置600用于根据所述第一接触电势差、所述第二接触电势差、所述第三所述电势差以及所述少数载流子的寿命计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子的扩散系数。

图2是根据本发明的实施例的测量装置的计算装置的单元结构图。

一并参照图1和图2，根据本发明的实施例的测量装置的计算装置600包括：第一计算单元610、第二计算单元620、第三计算单元630以及第四计算单元640。

具体地，第一计算单元610用于根据所述第一接触电势差和所述第二接触电势差计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L。

在一个示例中，进一步地，第一计算单元610进一步用于利用所述第二接触电势差减去所述第一接触电势差，以得到所述表面目标区域的表面光电压光谱SPV(λ)，且利用下面的式子1和所述表面光电压光谱拟合出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L，

[式子1]

其中，k₀为玻耳兹曼常数，T为温度，α(λ)为所述半导体样品的吸收系数谱，R₀为所述半导体样品的表面复合速率，P(λ)为所述单色光入射到所述半导体样品上的光子流密度，q为单个电子的电荷量。

第二计算单元620用于根据所述第一接触电势差和所述第三接触电势差计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W。

在一个示例中，进一步地，第二计算单元620用于利用下面的式子2并根据所述第三接触电势差和所述第一接触电势差计算出所述半导体样品的能带弯曲V_b，且利用下面的式子3并根据所述半导体样品的能带弯曲V_b计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W。

[式子2]V_b＝(φ_graphene-χ_{semicondictor}-qV-φ_n)/e

[式子3]

其中，V等于所述第一接触电势差减去所述第三接触电势差，所述半导体样品的费米面距离价带顶的距离

k₀为玻耳兹曼常数，T为温度，q为单个电子的电荷量，N_C为所述半导体样品的导带的有效状态密度，N为所述半导体样品的载流子浓度，φ_graphene为所述石墨样品的功函数，χ_{semiconductor}为所述半导体样品的亲合能。

第三计算单元630用于利用所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L减去所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W，以得到所述表面目标区域的空间电荷区的扩散长度L。

第四计算单元640用于根据所述表面目标区域的空间电荷区的扩散长度L和所述少数载流子的寿命τ计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子扩散系数D。

在一个示例中，进一步地，第四计算单元640用于利用下面的式子4，并根据所述表面目标区域的空间电荷区的扩散长度L和所述少数载流子的寿命τ计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子扩散系数D，

[式子4]D＝L²/τ。

以上是对根据本发明的实施例的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置的详细描述。接下来，将对根据本发明的实施例的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量方法进行详细的描述。图3是根据本发明的实施例的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量方法的流程图。

参照图3，并一并参照图1和图2，在步骤S310中，在无光入射至半导体样品的情况下，利用连接已逼近所述半导体样品的表面目标区域的导电针尖300的扫描开尔文探针显微镜400获取导电针尖300上的第一接触电势差。

具体地，在一个示例中，实现步骤S310的方法可以包括：

步骤一：将准备好的半导体样品放置在样品台200上，并将半导体样品的电极ED与接地的样品台200实现接通，从而形成与地的电连接。否则，可能导致半导体样品表面电荷的积累对导电针尖300上的接触电势差有影响，半导体样品接地能够将积累的电荷释放出去。

步骤二：启动扫描开尔文探针显微镜400。

步骤三：确定扫描位置：移动样品台200，在大致测试区域使导电针尖300逼近半导体样品表面，利用扫描开尔文探针显微镜400测试半导体样品的形貌图和电势图，将导电针尖300放置在半导体样品的表面目标区域。在本实施例中，作为一个示例，测试的半导体样品的表面目标区域是利用纳米压痕在半导体样品(例如GaN样品)上产生的位错，如图4所示。其中，图4是根据本发明的实施例的纳米压痕在半导体样品上产生的位错在扫描开尔文探针显微镜中的示意图。

步骤四：稳定电势测试：开启扫描开尔文探针显微镜400的接触电势差测量模式，在半导体样品表面得到稳定的接触电势差。

步骤五：引入单色光，即打开单色光光源110。

步骤六：设置波长：将单色光光源110的激发光波长设置为待测的波长。这里，波长可以被设置为400nm～350nm，但本发明并不限制于此。

步骤七：无光下的电势：将第一快门开关120关闭，利用连接已逼近所述半导体样品的表面目标区域的导电针尖300的扫描开尔文探针显微镜400测试暗室条件下的导电针尖300上的第一接触电势差CPD_dark。

在步骤S320中，在单色光入射至所述半导体样品的情况下，利用连接已逼近所述半导体样品的表面目标区域的导电针尖300的扫描开尔文探针显微镜400获取所述导电针尖上的第二接触电势差。

具体地，在一个示例中，实现步骤S320的方法可以包括：

步骤一：加光测试：将第一快门开关120打开，利用连接已逼近所述半导体样品的表面目标区域的导电针尖300的扫描开尔文探针显微镜400测试加400nm波长光(单色光)下的第二接触电势差CPD_light，如图5中的a图中的空心圆圈所示。

步骤二：在设置波长范围(例如上述的400nm～350nm)内随着光激发波长曲线改变激发波长，重复上述步骤一的加光测试，得到CPD_light(λ)在设置波长范围内随着光激发波长曲线，如图5中的a图中的空心圆圈曲线所示。

在步骤S330中，在脉冲光入射至所述半导体样品的情况下，利用光谱探测器500获取所述半导体样品的表面目标区域的少数载流子的寿命。

具体地，在一个示例中，实现步骤S330的方法可以包括：

步骤一：将第一快门开关120关闭，并打开脉冲光光源140、和光谱探测器500。

步骤二：得到半导体样品的少数载流子的寿命：打开第二快门开关150将脉冲光光源140产生的脉冲激发光引入到同样位错处的测试位置(上述测试第一和第二接触电势差对应的测试位置)，激发半导体样品产生光致发光荧光，光谱探测器500获得荧光信号强度随时间的变化I(t)，并对荧光信号强度随时间的变化I(t)进行指数拟合得到半导体样品的少数载流子的寿命τ，如图6所示。其中，图6是根据本发明的实施例的拟合半导体材料的位错处的少数载流子寿命的示意图。

在步骤S340中，在无光入射至石墨样品的情况下，利用连接已逼近所述石墨样品的表面目标区域的导电针尖300的扫描开尔文探针显微镜400获取所述导电针尖300上的第三接触电势差。

具体地，在一个示例中，实现步骤S340的方法可以包括：

步骤一：将第一快门开关120和步骤一：将第一快门开关120关闭。

步骤二：利用石墨样品替换半导体样品，利用连接已逼近所述石墨样品的表面目标区域的导电针尖300的扫描开尔文探针显微镜400获取导电针尖300与石墨样品的第三接触电势差

如图7所示。其中，图7是根据本发明的实施例的石墨样品的第三接触电势差的曲线图。

在步骤S350中，根据所述第一接触电势差、所述第二接触电势差、所述第三所述电势差以及所述少数载流子的寿命计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子的扩散系数。

具体地，在一个示例中，实现步骤S350的方法可以包括：

步骤一：根据所述第一接触电势差和所述第二接触电势差计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L。

这里，首先，第一计算单元610利用所述第二接触电势差减去所述第一接触电势差，以得到所述表面目标区域的表面光电压光谱SPV(λ)，如图5中的a图中的空心方块曲线所示。

其次，得到和：半导体样品的吸收系数谱可以通过椭偏仪测得，如图5中的b图所示，单色光入射到半导体样品内的半导体样品的光功率密度P(λ)可以通过光功率计测得，如图5中的c图所示。

最后，第一计算单元610利用上面的式子1，并通过例如最小二乘法数据拟合等的方法拟合出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L，如图8所示。其中，图8是根据本发明的实施例的利用最小二乘法数据拟合方法拟合出的半导体样品的表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L。在图8中，带有波折的实线是式子1的左侧部分，虚线是用式子1的右侧部分计算的拟合曲线，平滑的实线是光吸收系数谱。

步骤二：根据所述第一接触电势差和所述第三接触电势差计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W。这里，第二计算单元620可以利用上面的式子2和式子3计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W。

步骤三：利用所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L减去所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W，以得到所述表面目标区域的空间电荷区的扩散长度L。这里，第三计算单元630可以利用所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L减去所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W，以得到所述表面目标区域的空间电荷区的扩散长度L。

步骤四：根据所述表面目标区域的空间电荷区的扩散长度L和所述少数载流子的寿命τ计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子扩散系数D。这里，计算单元640利用上面的式子4计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子扩散系数D。

此外，作为本发明的另一实施例，可以移动纳米级的样品台200，使样品的测量位置(位错的其他位置点)发生变化，重复上述步骤，得到纳米尺度半导体样品扩散系数的空间分布。

综上所述，根据本发明的实施例的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置和测量方法，基于扫描开尔文探针显微镜而使得测量半导体材料的少数载流子扩散系数的空间分辨率大大提高，实现纳米尺度少数载流子扩散系数的测量。

上述对本发明的特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。

在整个本说明书中使用的术语“示例性”、“示例”等意味着“用作示例、实例或例示”，并不意味着比其它实施例“优选”或“具有优势”。出于提供对所描述技术的理解的目的，具体实施方式包括具体细节。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施这些技术。在一些实例中，为了避免对所描述的实施例的概念造成难以理解，公知的结构和装置以框图形式示出。

以上结合附图详细描述了本发明的实施例的可选实施方式，但是，本发明的实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的实施例的技术构思范围内，可以对本发明的实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的实施例的保护范围。

本说明书内容的上述描述被提供来使得本领域任何普通技术人员能够实现或者使用本说明书内容。对于本领域普通技术人员来说，对本说明书内容进行的各种修改是显而易见的，并且，也可以在不脱离本说明书内容的保护范围的情况下，将本文所定义的一般性原理应用于其它变型。因此，本说明书内容并不限于本文所描述的示例和设计，而是与符合本文公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。

Claims (10)

1.一种半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：

光源组件，用于产生单色光和脉冲光；

样品台，用于承载半导体样品或石墨样品；

导电针尖，与所述样品台可相对移动地设置，所述导电针尖用于逼近承载于所述样品台上的所述半导体样品的表面目标区域或所述石墨样品，且与所述半导体样品或所述石墨样品间隔设置；以及

扫描开尔文探针显微镜，连接所述导电针尖，所述扫描开尔文探针显微镜用于在无光和加所述单色光时分别获取逼近所述表面目标区域的所述导电针尖上的第一接触电势差和第二接触电势差，且用于获取逼近所述石墨样品的所述导电针尖上的第三接触电势差；

光谱探测器，用于在加所述脉冲光时获取所述半导体样品的表面目标区域的少数载流子的寿命；

计算装置，用于根据所述第一接触电势差、所述第二接触电势差、所述第三所述电势差以及所述少数载流子的寿命计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子的扩散系数。

2.根据权利要求1所述的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置，其特征在于，所述计算装置包括：

第一计算单元，用于根据所述第一接触电势差和所述第二接触电势差计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L；

第二计算单元，用于根据所述第一接触电势差和所述第三接触电势差计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W；

第三计算单元，用于利用所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L减去所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W，以得到所述表面目标区域的空间电荷区的扩散长度L；

第四计算单元，用于根据所述表面目标区域的空间电荷区的扩散长度L和所述少数载流子的寿命τ计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子扩散系数D。

3.根据权利要求2所述的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置，其特征在于，所述第四计算单元进一步用于利用下面的式子1，并根据所述表面目标区域的空间电荷区的扩散长度L和所述少数载流子的寿命τ计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子扩散系数D，

[式子1]D＝L²/τ。

4.根据权利要求2或3所述的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置，其特征在于，所述第一计算单元进一步用于利用所述第二接触电势差减去所述第一接触电势差，以得到所述表面目标区域的表面光电压光谱SPV(λ)，且利用下面的式子2和所述表面光电压光谱拟合出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L，

[式子2]

其中，k₀为玻耳兹曼常数，T为温度，α(λ)为所述半导体样品的吸收系数谱，R₀为所述半导体样品的表面复合速率，P(λ)为所述单色光入射到所述半导体样品上的光子流密度，q为单个电子的电荷量。

5.根据权利要求2或3所述的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置，其特征在于，所述第二计算单元进一步用于利用下面的式子3并根据所述第三接触电势差和所述第一接触电势差计算出所述半导体样品的能带弯曲V_b，且利用下面的式子4并根据所述半导体样品的能带弯曲V_b计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W，

[式子3]V_b＝(φ_graphene-χ_{semicondictor}-eV-φ_n)/e

[式子4]

其中，V等于所述第一接触电势差减去所述第三接触电势差，所述半导体样品的费米面距离价带顶的距离

k₀为玻耳兹曼常数，T为温度，q为单个电子的电荷量，N_C为所述半导体样品的导带的有效状态密度，N为所述半导体样品的载流子浓度，φ_graphene为所述石墨样品的功函数，χ_{semiconductor}为所述半导体样品的亲合能。

6.一种半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：

在无光入射至半导体样品的情况下，利用连接已逼近所述半导体样品的表面目标区域的导电针尖的扫描开尔文探针显微镜获取所述导电针尖上的第一接触电势差；

在单色光入射至所述半导体样品的情况下，利用连接已逼近所述半导体样品的表面目标区域的导电针尖的扫描开尔文探针显微镜获取所述导电针尖上的第二接触电势差；

在脉冲光入射至所述半导体样品的情况下，利用光谱探测器获取所述半导体样品的表面目标区域的少数载流子的寿命；

在无光入射至石墨样品的情况下，利用连接已逼近所述石墨样品的表面目标区域的导电针尖的扫描开尔文探针显微镜获取所述导电针尖上的第三接触电势差；

根据所述第一接触电势差、所述第二接触电势差、所述第三所述电势差以及所述少数载流子的寿命计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子的扩散系数。

7.根据权利要求6所述的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量方法，其特征在于，所述根据所述第一接触电势差、所述第二接触电势差、所述第三所述电势差以及所述少数载流子的寿命计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子的扩散系数，具体包括：

根据所述第一接触电势差和所述第二接触电势差计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L；

根据所述第一接触电势差和所述第三接触电势差计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W；

利用所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L减去所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W，以得到所述表面目标区域的空间电荷区的扩散长度L；

根据所述表面目标区域的空间电荷区的扩散长度L和所述少数载流子的寿命τ计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子扩散系数D。

8.根据权利要求7所述的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量方法，其特征在于，所述根据所述表面目标区域的空间电荷区的扩散长度L和所述少数载流子的寿命τ计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子扩散系数D，具体包括：利用下面的式子1且根据所述表面目标区域的空间电荷区的扩散长度L和所述少数载流子的寿命τ，计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子扩散系数D，

[式子1]D＝L²/τ。

9.根据权利要求7或8所述的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量方法，其特征在于，所述根据所述第一接触电势差和所述第二接触电势差计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L，具体包括：

利用所述第二接触电势差减去所述第一接触电势差，以得到所述表面目标区域的表面光电压光谱SPV(λ)；

利用下面的式子2以及所述表面光电压光谱拟合出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L，

[式子2]

其中，k₀为玻耳兹曼常数，T为温度，α(λ)为所述半导体样品的吸收系数谱，R₀为所述半导体样品的表面复合速率，P(λ)为所述单色光入射到所述半导体样品上的光子流密度，q为单个电子的电荷量。

10.根据权利要求7或8所述的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量方法，其特征在于，所述根据所述第一接触电势差和所述第三接触电势差计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W，具体包括：

利用下面的式子3并根据所述第三接触电势差和所述第一接触电势差计算出所述半导体样品的能带弯曲V_b，

[式子3]V_b＝(φ_graphene-χ_{semicondictor}-eV-φ_n)/q

且利用下面的式子4并根据所述半导体样品的能带弯曲V_b计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W，

[式子4]

其中，V等于所述第一接触电势差减去所述第三接触电势差，所述半导体样品的费米面距离价带顶的距离

k₀为玻耳兹曼常数，T为温度，q为单个电子的电荷量，N_C为所述半导体样品的导带的有效状态密度，N为所述半导体样品的载流子浓度，φ_graphene为所述石墨样品的功函数，χ_{semiconductor}为所述半导体样品的亲合能。

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