CN116678303A - 交流驱动型背光源在表征薄膜样品表面形貌中的应用和薄膜表面形貌的表征系统 - Google Patents
交流驱动型背光源在表征薄膜样品表面形貌中的应用和薄膜表面形貌的表征系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116678303A CN116678303A CN202310707021.6A CN202310707021A CN116678303A CN 116678303 A CN116678303 A CN 116678303A CN 202310707021 A CN202310707021 A CN 202310707021A CN 116678303 A CN116678303 A CN 116678303A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- film
- alternating current
- film sample
- probe
- backlight source
- 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.)
- Pending
Links
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 75
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims abstract description 26
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 17
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 70
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 16
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 14
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 11
- 238000012876 topography Methods 0.000 claims description 11
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 7
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims description 7
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 4
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 claims description 4
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 3
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 abstract description 3
- 239000007924 injection Substances 0.000 abstract description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 2
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000084 colloidal system Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
- G01B7/02—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness
- G01B7/06—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness
- G01B7/08—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness using capacitive means
- G01B7/082—Height gauges
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
本发明公开了交流驱动型背光源在表征薄膜样品表面形貌中的应用。还公开了一种薄膜表面形貌的表征系统，包括输入区组件、测试区组件和输出区组件，以及相应的薄膜表面形貌的表征方法。本发明可以实现在无探针接触、无电流注入的情况下对薄膜样品的表面形貌进行表征测试的功能，并且可以通过探针的横纵扫描实现构建薄膜上表面三维图像的功能。利用本发明的装置可以进行高效测量，并且交变电场驱动纳米LED阵列可以达到样品表面零损伤的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种交流驱动型背光源在表征薄膜样品表面形貌中的应用、薄膜表面形貌的表征系统以及相应的薄膜表面形貌的表征方法。
背景技术
光电子器件在近几十年的研究中得到了广泛的关注，其在很多领域已经有广泛的应用，如通信存储，显示照明，食品安全，新型显示等等。GaN基的光电子器件发光效率高，同时还具有节能环保，体积小寿命长的优点，具有很高的发展前景。GaN材料已被深入研究，并用于光电器件，如发光二极管(LED)和激光器(LD)。尽管GaN基LED的研究已经较为深入，但是传统的LED一般都工作在直流电下，在这种工作模式下也存在着局限性：随着像素尺寸的减小，金属电极难以集成在LED器件上或是难以形成良好的欧姆接触。一种新型的LED的驱动技术——交流电场驱动技术应运而生，在直流驱动纳米LED受到限制的领域受到了广泛的关注。
作为直流驱动LED的潜在替代方法，LED的交流电场驱动技术因为其独特的优越性和潜在的应用价值也得到了广泛的研究。相比于直流驱动的发光器件，交流驱动在纳米尺度的发光器件领域有很大优势。例如：通过改变外加电场的方向和频率，可以有效地防止发光器件中的电荷积累，从而提高发光效率；在交流驱动的器件中绝缘的电介质层可以避免注入载流子的非辐射复合来减少发热。基于交流电场驱动的GaN基LED可以实现对纳米显示像元的无接触驱动，有望代替直流驱动成为一种面向超高分辨显示的新型驱动模式，因此探索实现具有高增益效果的交流驱动式纳米LED结构，是亟待解决的问题。
发明内容
本发明公开了交流驱动型背光源在表征薄膜样品表面形貌中的应用。
根据上述的应用，所述交流驱动型背光源受交变电场激发后，能产生与薄膜厚度相关的光信号。
根据上述的应用，所述交流驱动型背光源为纳米LED阵列或量子点薄膜，或者有机发光薄膜。
优选的，所述薄膜样品非磁性薄膜，也非金属薄膜。
本发明还公开了一种薄膜表面形貌的表征系统，包括输入区组件、测试区组件和输出区组件；
所述输入区组件用于在待测薄膜样品上方加载交变电场，该输入区组件至少包括：
交流电源，用于输出驱动背光源发光的交流电场信号；
悬臂，用于在电源和探针之间传导交流信号，且控制探针移动；
探针，用于在待测薄膜样品上方维持交变电场；
所述测试区组件用于放置待测薄膜样品并释放光信号，该测试区组件至少包括：
带有介质衬底的交流驱动型背光源：用于受交变电场激发产生与待测薄膜样品厚度相关的光信号，薄膜样品放置于介质衬底上；
ITO，作为透明导电层，需要接地；
所述输出区组件用于接收、反馈测试数据并绘制三维图像，该输出区组件至少包括：
光电探测器，用于接收背光源产生的光信号并将其转化成电信号；
扫描控制器，用于控制悬臂带动探针在待测薄膜样品上方的恒定高度位置做水平方向的移位扫描，并记录探针对应的各采样点的坐标信息；
图像生成模块，用于汇总各采样点的坐标位置及峰值电压，并描述出薄膜表面相对高度的三维图像。
优选的，所述背光源为纳米LED阵列或量子点薄膜，或者有机发光薄膜。
优选的，所述介质衬底为蓝宝石、硅或石英。
优选的，所述交流电源为正弦交流电源，频率在10-100kHz。
本发明还公开了一种薄膜表面形貌的表征方法，基于上述的薄膜表面形貌的表征系统实现，其步骤包括：
(1)将待测薄膜样品放置于介质衬底上；
(2)交流电源激发交流信号，经悬臂传导至探针，在待测薄膜样品上方释放交变电场，扫描控制器控制探针始终处于待测薄膜样品上方的恒定高度，并进行水平方向的横纵移位扫描；
(3)交变电场激发背光源产生光信号，光电探测器接收背光源产生的光信号并将其转化成电信号，各个采样点的坐标信息和对应光电信号的峰值电压分别由扫描控制器和光电探测器输出给图像生成模块，从而绘制出薄膜表面形貌的相对高度三维图像。
本发明的工作原理为：探针在薄膜上方释放交变电场，薄膜和衬底共同组成电容，交变电场在电容的作用下，激发背光源产生光信号，光电探测器测得光信号并将其转化电信号。薄膜的相对高度会影响电容的大小，使得电信号与薄膜相对高度呈对应关系，从而可以根据探针的位置和相应的电信号来绘制薄膜表面形貌的相对高度三维图像。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明适用广泛，对样品的表面粗糙度无严格要求，可用于测试包括绝缘体在内的固体或胶体材料；
(2)样品无损，扫描探针无需接触样品，无高能电子束轰击样品，不会造成样品及探针的磨损与破坏；
(3)测试便捷，无需对样品进行不可逆的特殊处理；
(4)无需真空，在常温常压下即可工作；
(5)三维成像，可提供样品高度方向的信息。
总体而言，本发明可以实现在无探针接触、无电流注入的情况下对薄膜样品的表面形貌进行表征测试的功能，并且可以通过探针的横纵扫描实现构建薄膜上表面三维图像的功能。利用本发明的装置可以进行高效测量，并且交变电场驱动纳米LED阵列可以达到样品表面零损伤的效果。
附图说明
图1为本发明实施例中薄膜表面形貌表征系统的结构框图；
图2为本发明实施例中背光源(纳米LED阵列)的组成示意图；
图3为本发明实施例中薄膜表面形貌表征系统的等效电路图；
【本发明主要元件符号说明】
1-输入区组件； 11-交流电源；
12-悬臂； 13-探针；
2-测试区组件； 21-薄膜样品；
22-背光源的衬底； 23-背光源的发光组件(以纳米LED阵列为例)；
24-ITO； 3-输出区组件；
31-光电探测器； 32-扫描控制器；
33-图像生成模块。
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但实施例的描述不对本发明的保护范围产生任何限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明而非用来限制本发明的保护范围。
下列实施例中所用的物质或仪器，如果未进行特殊说明的话，均可以从常规的商用渠道获取。
在本发明的实施例中，提供了一种薄膜表面形貌的表征系统。如图1所示，该装置包括：输入区组件1、测试区组件2和输出区组件3。输入区组件1为交变电场的激发装置，包括：交流电源11、悬臂12和探针13。测试区组件2为样品承载和测试信号产生装置，包括薄膜样品21、蓝宝石衬底22、背光源(纳米LED阵列)和ITO 24。输出区组件3为信号转化和图像采集装置，包括光电探测器31、扫描控制器32和图像生成模块33。
以下分别对本实施例薄膜表面形貌表征系统的各个组成部分进行详细说明。
交流电源11由交流波形发生器((Tektronix AFG2021)和锁相放大器(PINTECHHA-520)组成，输出的交流信号经由悬臂12传导至微小探针13，释放出可激励背光源纳米LED阵列发光的交变电场，电场频率控制在10-100kHz。
悬臂12与探针13连接并固定，以恒定高度悬浮于薄膜样品21表面，受扫描控制器32操控可进行逐点扫描。
背光源纳米LED阵列是在450μm厚蓝宝石衬底22上生长的商业化InGaN/GaN基LED晶圆23制成的交流驱动型纳米LED阵列。其具体结构如图2所示，通过半导体微加工工艺，形成直径为100nm、高为1μm、周期为200nm的纳米LED阵列。
薄膜样品21置于倒扣的背光源纳米LED阵列之上，与蓝宝石衬底22相贴合，透明导电层ITO 24则接地。该系统可建模成如图3所示的等效电路，薄膜样品21和蓝宝石衬底22等效为电容器C衬底。
光电探测器31是一种APD雪崩光电探测器，用于接收背光源纳米LED阵列23产生的光信号并将其转换成电信号，适用于380nm-780nm的可见光，且需要由电源提供12V的工作电压。
扫描控制器32的作用是控制悬臂12及探针13水平移动，按照预先设定的步长、区间进行横向和纵向的逐点扫描，并将各点坐标反馈给图像生成模块33。
图像生成模块33将扫描控制器32输出的采样点坐标信息(x，y)与光电探测器31输出的该点电信号峰值电压V结合成三维矢量坐标(x，y，V)，进而可以建构出扫描范围内的三维图像。
对于本实施例薄膜表面形貌表征系统，其测试过程如下：
交流电源11输出交流信号，经悬臂12和探针13传导在薄膜样品21上方恒定高度位置激发交变电场。扫描控制器32控制探针13做水平方向的逐点扫描，并记录各采样点的水平坐标。基于薄膜样品21和蓝宝石衬底22的电容特性，各采样点因薄膜厚度差异产生电容变化，或者因薄膜介电常数差异而产生电容变化，测试系统中电容大小的变化对应着不同的背光源纳米LED阵列发光强度。
背光源纳米LED阵列产生的光信号经透明导电层ITO 24传输至光电探测器31，并转化成交流电信号。图像生成模块33将扫描控制器32提供的各采样点水平坐标信息与光电探测器提供的各采样点对应的峰值电压信息整合，从而刻画出扫描区间内的样品表面相对高度，由此可分析薄膜样品的表面形貌。关于根据峰值电压描述出薄膜表面相对高度的三维图像的方法，为现有方法，可以参考Chaoxing Wu,Kun Wang,and Tailiang Guo.2022.″Theoretical Study of LED Operating in Noncarrier Injection Mode″Nanomaterials12,no.15:2532.https://doi.org/10.3390/nano12152532中的记载。
至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明用于薄膜表面形貌的表征系统有了清楚的认识。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.交流驱动型背光源在表征薄膜样品表面形貌中的应用。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述交流驱动型背光源受交变电场激发后，能产生与薄膜厚度相关的光信号。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：所述交流驱动型背光源为纳米LED阵列或量子点薄膜，或者有机发光薄膜。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的应用，其特征在于：所述薄膜样品非磁性薄膜，也非金属薄膜。
5.一种薄膜表面形貌的表征系统，其特征在于：包括输入区组件、测试区组件和输出区组件；
所述输入区组件用于在待测薄膜样品上方加载交变电场，该输入区组件至少包括：
交流电源，用于输出驱动背光源发光的交流电场信号；
悬臂，用于在电源和探针之间传导交流信号，且控制探针移动；
探针，用于在待测薄膜样品上方维持交变电场；
所述测试区组件用于放置待测薄膜样品并释放光信号，该测试区组件至少包括：
带有介质衬底的交流驱动型背光源：用于受交变电场激发产生与待测薄膜样品厚度相关的光信号，薄膜样品放置于介质衬底上；
ITO，作为透明导电层，需要接地；
所述输出区组件用于接收、反馈测试数据并绘制三维图像，该输出区组件至少包括：
光电探测器，用于接收背光源产生的光信号并将其转化成电信号；
扫描控制器，用于控制悬臂带动探针在待测薄膜样品上方的恒定高度位置做水平方向的移位扫描，并记录探针对应的各采样点的坐标信息；
图像生成模块，用于汇总各采样点的坐标位置及峰值电压，并描述出薄膜表面相对高度的三维图像。
6.根据权利要求5所述的薄膜表面形貌的表征系统，其特征在于：所述背光源为纳米LED阵列或量子点薄膜，或者有机发光薄膜。
7.根据权利要求5所述的薄膜表面形貌的表征系统，其特征在于：所述介质衬底为蓝宝石、硅或石英。
8.根据权利要求5所述的薄膜表面形貌的表征系统，其特征在于：所述交流电源为正弦交流电源，频率在10-100kHz。
9.一种薄膜表面形貌的表征方法，基于权利要求5-8中任一项所述的薄膜表面形貌的表征系统实现，其特征在于其步骤包括：
(1)将待测薄膜样品放置于介质衬底上；
(2)交流电源激发交流信号，经悬臂传导至探针，在待测薄膜样品上方释放交变电场，扫描控制器控制探针始终处于待测薄膜样品上方的恒定高度，并进行水平方向的横纵移位扫描；
(3)交变电场激发背光源产生光信号，光电探测器接收背光源产生的光信号并将其转化成电信号，各个采样点的坐标信息和对应光电信号的峰值电压分别由扫描控制器和光电探测器输出给图像生成模块，从而绘制出薄膜表面形貌的相对高度三维图像。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310707021.6A CN116678303A (zh) | 2023-06-15 | 2023-06-15 | 交流驱动型背光源在表征薄膜样品表面形貌中的应用和薄膜表面形貌的表征系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310707021.6A CN116678303A (zh) | 2023-06-15 | 2023-06-15 | 交流驱动型背光源在表征薄膜样品表面形貌中的应用和薄膜表面形貌的表征系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116678303A true CN116678303A (zh) | 2023-09-01 |
Family
ID=87783496
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310707021.6A Pending CN116678303A (zh) | 2023-06-15 | 2023-06-15 | 交流驱动型背光源在表征薄膜样品表面形貌中的应用和薄膜表面形貌的表征系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116678303A (zh) |
-
2023
- 2023-06-15 CN CN202310707021.6A patent/CN116678303A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102495043B (zh) | 半导体材料表面缺陷测量装置及表面缺陷测量方法 | |
| TWI823855B (zh) | 發光二極體測試設備及製造方法 | |
| US10962586B2 (en) | Light emitting diode (LED) test apparatus and method of manufacture | |
| US11037841B2 (en) | Light emitting diode (LED) test apparatus and method of manufacture | |
| US10274551B2 (en) | Magnetometer sensor with negatively charged nitrogen-vacancy centers in diamond | |
| CN102353815B (zh) | 材料的表面局域电子态的测量装置以及测量方法 | |
| CN101105519A (zh) | 一种led芯片/晶圆的非接触式检测方法 | |
| CN116678303A (zh) | 交流驱动型背光源在表征薄膜样品表面形貌中的应用和薄膜表面形貌的表征系统 | |
| Zhang et al. | Dominant mechanism of GaN-based single contact micro-LED driven by AC power | |
| US11898905B2 (en) | Plasmonic metamaterial structure | |
| US9793685B2 (en) | Junctionless semiconductor light emitting devices | |
| Benia et al. | Photon mapping of MgO thin films with an STM | |
| Göttlich et al. | A novel probe for near field optical microscopy based on luminescent silicon | |
| CN202710474U (zh) | 发光材料的发光性质复合检测装置 | |
| US8484756B2 (en) | Tip-mounted nanowire light source instrumentation | |
| Guo et al. | Maximizing Electroluminescence Intensity in Single-Ended Electrical Contact Micro-LEDs: A Strategy for Optimizing Driving Waveforms | |
| CN118258584A (zh) | 发光器件复合中心的测量装置与测量方法 | |
| Skarvada et al. | Nanooptics of locally induced photocurrent in monocrystalline Si solar cells | |
| QIU et al. | Non-Destructive Electroluminescence Inspection for LED Epitaxial Wafers Based on Soft Single-Contact Operation | |
| Liu et al. | Controlled Sixfold Symmetric Exfoliation of Oriented MoS | |
| Romero | Novel applications of near-field scanning optical microscopy: Microluminescence from local junction breakdown in solar cells | |
| Xu et al. | Low-temperature scanning near-field optical microscope and spectroscopy: Application in quantum well device | |
| CN103529310A (zh) | 一种利用光致发光谱测量GaN基LED的极化电场的方法 | |
| Subramania et al. | Nanophotonic structures for extreme light-confinement interaction |
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 |