CN1793874B - 一种测量半导体纳米结构光电性能的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量半导体纳米结构光电性能的设备和方法，该设备包括：扫描探针显微镜、脉冲激光器、透镜和光电信号耦合测量部件。该方法是：利用扫描探针显微系统精确的空间定位和控制能力，使用导电针尖作为纳米电极，并采用背面入射的方法将脉冲激光引入样品待测区域，在对样品实施结构扫描的同时获得特定纳米区域的光激发电学特性。本发明的优点是：利用扫描探针显微镜的导电针尖作为高精度、高稳定性的移动纳米电极，可以对样品表面的微观区域进行光电响应的二维成像，像点间的信息具有很高的可比性，有助于对半导体光电功能材料的均匀性实施高分辨率的检测。
Description
技术领域
本发明涉及半导体纳米材料的测量，具体是指一种测量半导体纳米结构光电性能的设备和方法。
背景技术
半导体材料的一个最主要的发展趋势是结构尺寸的缩微化，这使得我们对一些高分辨能力的检测方法依赖更多。
扫描探针显微技术在它问世二十多年来已经广泛应用于各种材料的表面形貌和电子结构研究。其中原子力显微技术由于对材料没有导电性的要求，在形貌观察以及表面修饰方面有独特优势，很适合电导率跨度很大的半导体材料，是研究开发和工艺检测的良好工具。近年来，针对一些特殊测量要求，人们对原子力显微镜作了改进，显著扩展了它的应用范围。如在微悬臂和被测材料表面之间加入电流回路以后，可以在执行形貌扫描的同时获得材料局域的微分电容或电流图象。这些电路和系统的改进使原子力显微镜不再是单纯利用针尖和样品间机械和力学作用过程进行结构成像和修饰的简单仪器，在对半导体材料和器件的微区漏电流、电势和电容测量中已经显示了良好的效果。
但是，随着半导体技术的发展，特别是光-电子集成化的趋势，对半导体纳米材料检测技术提出了新的要求，即要求对纳米材料和器件的光电子学性质进行监测，目前还没有相应的设备可以进行这方面的测量。
发明内容
本发明的目的就是要提出一种可以对纳米材料和器件的光电子学性质进行检测的设备及方法。
本发明的技术方案是：利用扫描探针显微系统精确的空间定位和控制能力，使用导电针尖作为纳米电极；并采用脉冲激光引入样品背面待测区域，测量指定区域在光激发下的电子学响应，以达到对半导体材料和器件纳米结构的光电子学性质进行测量的目的。
具体技术方案如下：
一种测量半导体纳米结构光电性能的设备，该设备包括：扫描探针显微镜、脉冲激光器、透镜和光电信号耦合测量部件。
所述的扫描探针显微镜是商用的多模式扫描探针显微镜，包括：导电微悬臂探针、微弱电流处理模块、扫描系统；
所述的脉冲激光器发出的激光经透镜会聚后再经反射镜反射到样品背面形成≤1mm激光焦斑；
扫描探针显微镜置于防振台上；
所述的光电信号耦合测量部件可以为示波器。
利用所述设备测量半导体纳米结构的光电性能的方法包括下列步骤：
1.样品的准备：为了保证激发光由样品背面入射时有比较高的透过率，需视衬底对激发光的吸收情况减薄样品.如衬底对激发光透明，只需将衬底减薄至50-100微米即可；对激发光吸收较高的衬底材料，需将其减薄至≤1微米，然后用常规的半导体工艺做好下电极.
2.将准备好的样品放置在扫描探针显微镜的样品台上，并使样品的下电极和扫描探针显微镜样品座的电极实现电联结。
3.在恒温恒湿的环境下开启扫描探针显微镜电源，工作模式设置为导电原子力显微方式，在其稳定工作2-3小时后再进行测量。目的是使扫描探针显微镜的压电陶瓷、微机械和控制电路达到稳定的工作状态。
4.降低微悬臂，使导电针对样品达到原子力接触状态，对样品表面进行结构扫描，获得样品表面形貌像；然后选择感兴趣的区域逐步缩小扫描范围，将需要测量光电响应的纳米结构置于扫描范围的中心。
5.调整扫描探针显微镜设置为力校准测量方式；开启激光电源，并使激光束经透镜聚焦和反射镜反射于样品背面的指定区域，同时将激光脉冲触发信号输入示波器；此时扫描探针显微镜会控制微悬臂使针尖定位于扫描范围中心的纳米结构上；半导体纳米结构受光激发产生的电流信号由导电针尖拾取进入扫描探针显微镜的微弱电流处理模块，由电流模块将信号放大输入示波器，得到半导体纳米结构的光电响应谱。如果希望得到样品在偏压下的光电响应，只需通过针尖对样品加偏压，可以获得偏压下的光电响应谱；施加不同偏压，可以获得不同偏压下的光电响应谱。
6.如果希望得到样品某一区域的光电性能，在重复上述步骤1、2、3后，调整扫描探针显微镜设置为力校准的阵列测量选项，根据需要设定选项参数，打开激光器，此时扫描探针显微镜按照所设选项参数逐点扫描指定区域，区域内受光激发产生的电流信号由导电针尖拾取进入扫描探针显微镜的微弱电流处理模块，由电流模块将信号放大输入示波器，得到阵列所有点的光电流信号组成该区域的光电流图像。
本发明有如下积极效果和优点：
1.利用扫描探针显微镜的导电针尖作为高精度、高稳定性的移动纳米电极，可以对样品表面的微观区域进行光电响应的二维成像，像点间的信息具有很高的可比性，有助于对半导体光电功能材料的均匀性实施高分辨率的检测。
2.使用脉冲激光激发半导体的局部结构，可以在极短的时间内对纳米结构达到很高的激发强度。
3.激发光束由样品背面入射，消除了纳米尺寸的针尖接触样品表面时对入射激光的遮蔽和衍射效应。
附图说明
图1为本发明的测量设备结构示意图；
图2为本实施例InAs/GaAs单量子点的原子力显微像；
图3为本实施例在884nm波长，40mW脉冲光激发时，不同偏压下的光电流谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
本发明的测量设备如图1所示，包括：扫描探针显微镜1、脉冲激光器2、透镜3、反射镜5和光电信号耦合测量部件4。所述的扫描探针显微镜是商用的多模式扫描探针显微镜，由导电微悬臂探针101、微弱电流处理模块102、扫描系统103构成。
由于本测量过程要保证针尖的定位精度达到纳米级，并在测量时间内保持漂移速度低于0.05纳米/秒，必须将扫描探针显微镜置于防振台上，防振台的防振要求为当振动频率大于1赫兹时，振动速度的均方根值小于3微米/秒。室内要保持恒温恒湿，扫描探针显微镜开启2-3小时才能进行测量工作。
样品6的要求：为了保证激发光由样品背面入射时有比较高的透过率，需视衬底对激发光的吸收情况减薄衬底。衬底对激发光透明时，将衬底减薄至50-100微米即可；对于吸收系数高的衬底材料，需要将其减薄至≤1微米，但是在下电极引出处要保持约10微米，便于后续电极制作。然后用常规的半导体工艺做好下电极
脉冲激光波长和强度的选择：
激光波长由待测材料的电子跃迁能量决定，但应避开扫描探针显微镜内部发光二极管的工作波长(～670nm)。当激光波长位于扫描探针显微镜内部硅探测器的探测波长范围(200～1200nm)之内时，应在硅探测器窗口前加相应的滤波片，消除激发光对扫描探针显微镜的干扰。
激光强度的选择依据两个原则，首先是保证对待测纳米结构的有效激发，其次是避免光热和其它效应对待测区域或者纳米结构形成损伤以及引起光电性质的改变。为解决两者之间可能的矛盾，可以在确定足够高的激发功率后，根据材料的尺寸和导热系数决定脉冲周期的占空比，通过增加两个脉冲激发之间的空位时间来释放热能。
下面以GaAs为衬底的自组织InAs/GaAs量子阱为实施例描述本发明的实施过程：
脉冲激光的选择：根据室温下GaAs的吸收边约在867nm，选择略大于此波长的884nm钛宝石激光器。由于自组织量子点具有比较高的光电转换效率，因此对脉冲激发光的功率密度要求不高，输出功率约40mW；考虑光斑的尺寸(～1mm)和衬底材料的导热系数，使用占空比为1∶1的脉冲光即可实现激光能量的及时疏散，避免量子点因温度显著升高影响光电性能。测量时，需在扫描探针显微镜内的硅探测器窗口前加截波长为700nm的短波通滤光片，消除激发光对测量系统的影响。
然后采用上述的测量步骤1-4，得到量子点的结构，见图2，并逐步缩小扫描范围，直至指定量子点位于很小的扫描区域(90x90nm2)的中心，保持稳定后进入力校准测量方式，设定电路增益为1011V/A，打开激发光源，脉冲光束汇聚于样品背面的导电针尖下的量子点及其周围区域，量子点受激发产生的电流信号放大后进入示波器，由脉冲激光信号触发示波器显示和记录。图2为通过针尖对量子点加偏压，得到不同偏压下量子点的光电流响应图。
Claims (4)
1.一种测量半导体纳米结构光电性能的设备，其特点是该设备包括：扫描探针显微镜(1)、脉冲激光器(2)、透镜(3)、反射镜(5)和光电信号耦合测量部件(4)；
所述的扫描探针显微镜是商用的多模式扫描探针显微镜，包括：微悬臂探针(101)、微弱电流处理模块(102)、扫描系统(103)；
所述的脉冲激光器发出的激光经透镜会聚后再经反射镜反射到样品背面形成≤1mm激光焦斑；
扫描探针显微镜置于防振台上；
所述的光电信号耦合测量部件为示波器，它与脉冲激光器(2)电路系统的脉冲触发电路相连。
2.利用权利要求1所述的设备测量半导体纳米结构的光电性能的方法，其特征在于包括下列步骤：
A.样品的准备：为了保证激发光由样品背面入射时有比较高的透过率，需视衬底对激发光的吸收情况减薄样品；如衬底对激发光透明，只需将衬底减薄至50-100微米即可；对激发光吸收较高的衬底材料，需将其减薄至1-2微米，然后用常规的半导体工艺做好下电极；
B.将准备好的样品(6)放置在扫描探针显微镜的样品台上，并使样品的下电极和扫描探针显微镜样品座的电极实现电联结；
C.在恒温恒湿的环境下开启扫描探针显微镜电源，工作模式设置为导电原子力显微方式，在其稳定工作2-3小时后再进行测量；
D.降低微悬臂，使导电针对样品达到原子力接触状态，对样品表面进行结构扫描，获得样品表面较大范围的形貌像；然后选择感兴趣的区域逐步缩小扫描范围，将需要测量光电响应的纳米结构置于扫描范围的中心；
E.调整扫描探针显微镜设置为力校准测量方式；开启激光电源，并使激光束经透镜(3)聚焦和反射镜(5)反射于样品背面的指定区域，同时将激光脉冲触发信号输入示波器；此时扫描探针显微镜会控制微悬臂使针尖定位于扫描范围中心的纳米结构上；半导体纳米结构受光激发产生的电流信号由导电针尖拾取进入扫描探针显微镜的微弱电流处理模块，由电流模块将信号放大输入示波器，得到半导体纳米结构的光电响应谱。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于在所述的步骤E中通过针尖对样品加偏压，可以获得偏压下的光电响应；施加不同偏压，可以获得不同偏压下的光电响应。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：在重复上述步骤A、B、C后，调整扫描探针显微镜设置为力校准的阵列测量选项，根据需要设定选项参数，打开激光器，此时扫描探针显微镜按照所设选项参数逐点扫描指定区域，区域内受光激发产生的电流信号由导电针尖拾取进入扫描探针显微镜的微弱电流处理模块，由电流模块将信号放大输入示波器，得到阵列所有点的光电流信号组成该区域的光电流图像。
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