專利名稱：一種測量半導體納米結構光電性能的設備和方法
技術領域：
本發明涉及半導體納米材料的測量，具體是指一種測量半導體納米結構光電性能的設備和方法。
背景技術：
半導體材料的一個最主要的發展趨勢是結構尺寸的縮微化，這使得我們對一些高分辨能力的檢測方法依賴更多。
掃描探針顯微技術在它問世二十多年來已經廣泛應用于各種材料的表面形貌和電子結構研究。其中原子力顯微技術由于對材料沒有導電性的要求，在形貌觀察以及表面修飾方面有獨特優勢，很適合電導率跨度很大的半導體材料，是研究開發和工藝檢測的良好工具。近年來，針對一些特殊測量要求，人們對原子力顯微鏡作了改進，顯著擴展了它的應用范圍。如在微懸臂和被測材料表面之間加入電流回路以后，可以在執行形貌掃描的同時獲得材料局域的微分電容或電流圖象。這些電路和系統的改進使原子力顯微鏡不再是單純利用針尖和樣品間機械和力學作用過程進行結構成像和修飾的簡單儀器，在對半導體材料和器件的微區漏電流、電勢和電容測量中已經顯示了良好的效果。
但是，隨著半導體技術的發展，特別是光-電子集成化的趨勢，對半導體納米材料檢測技術提出了新的要求，即要求對納米材料和器件的光電子學性質進行監測，目前還沒有相應的設備可以進行這方面的測量。
發明內容
本發明的目的就是要提出一種可以對納米材料和器件的光電子學性質進行檢測的設備及方法。
本發明的技術方案是利用掃描探針顯微系統精確的空間定位和控制能力，使用導電針尖作為納米電極；并采用脈沖激光引入樣品背面待測區域，測量指定區域在光激發下的電子學響應，以達到對半導體材料和器件納米結構的光電子學性質進行測量的目的。
具體技術方案如下一種測量半導體納米結構光電性能的設備，該設備包括掃描探針顯微鏡、脈沖激光器、透鏡和光電信號耦合測量部件。
所述的掃描探針顯微鏡是商用的多模式掃描探針顯微鏡，包括導電微懸臂探針、微弱電流處理模塊、掃描系統；所述的脈沖激光器經透鏡會聚可在樣品上形成≤1mm激光焦斑；掃描探針顯微鏡置于防振臺上；所述的光電信號耦合測量部件可以為示波器。
利用所述設備測量半導體納米結構的光電性能的方法包括下列步驟1.樣品的準備為了保證激發光由樣品背面入射時有比較高的透過率，需視襯底對激發光的吸收情況減薄樣品。如襯底對激發光透明，只需將襯底減薄至50-100微米即可；對激發光吸收較高的襯底材料，需將其減薄至≤1微米，然后用常規的半導體工藝做好下電極。
2.將準備好的樣品放置在掃描探針顯微鏡的樣品臺上，并使樣品的下電極和掃描探針顯微鏡樣品座的電極實現電聯結。
3.在恒溫恒濕的環境下開啟掃描探針顯微鏡電源，工作模式設置為導電原子力顯微方式，在其穩定工作2-3小時后再進行測量。目的是使掃描探針顯微鏡的壓電陶瓷、微機械和控制電路達到穩定的工作狀態。
4.降低微懸臂，使導電針對樣品達到原子力接觸狀態，對樣品表面進行結構掃描，獲得樣品表面形貌像；然后選擇感興趣的區域逐步縮小掃描范圍，將需要測量光電響應的納米結構置于掃描范圍的中心。
5.調整掃描探針顯微鏡設置為力校準測量方式；開啟激光電源，并使激光束經透鏡聚焦和反射鏡反射于樣品背面的指定區域，同時將激光脈沖觸發信號輸入示波器；此時掃描探針顯微鏡會控制微懸臂使針尖定位于掃描范圍中心的納米結構上；半導體納米結構受光激發產生的電流信號由導電針尖拾取進入掃描探針顯微鏡的微弱電流處理模塊，由電流模塊將信號放大輸入示波器，得到半導體納米結構的光電響應譜。如果希望得到樣品在偏壓下的光電響應，只需通過針尖對樣品加偏壓，可以獲得偏壓下的光電響應譜；施加不同偏壓，可以獲得不同偏壓下的光電響應譜。
6.如果希望得到樣品某一區域的光電性能，在重復上述步驟1、2、3后，調整掃描探針顯微鏡設置為力校準的陣列測量選項，根據需要設定選項參數，打開激光器，此時掃描探針顯微鏡按照所設選項參數逐點掃描指定區域，區域內受光激發產生的電流信號由導電針尖拾取進入掃描探針顯微鏡的微弱電流處理模塊，由電流模塊將信號放大輸入示波器，得到陣列所有點的光電流信號組成該區域的光電流圖像。
本發明有如下積極效果和優點1.利用掃描探針顯微鏡的導電針尖作為高精度、高穩定性的移動納米電極，可以對樣品表面的微觀區域進行光電響應的二維成像，像點間的信息具有很高的可比性，有助于對半導體光電功能材料的均勻性實施高分辨率的檢測。
2.使用脈沖激光激發半導體的局部結構，可以在極短的時間內對納米結構達到很高的激發強度。
3.激發光束由樣品背面入射，消除了納米尺寸的針尖接觸樣品表面時對入射激光的遮蔽和衍射效應。
圖1為本發明的測量設備結構示意圖；圖2為本實施例InAs/GaAs單量子點的原子力顯微像；圖3為本實施例在884nm波長，40mW脈沖光激發時，不同偏壓下的光電流譜。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步的詳細說明本發明的測量設備如圖1所示，包括掃描探針顯微鏡1、脈沖激光器2、透鏡3、反射鏡5和光電信號耦合測量部件4。所述的掃描探針顯微鏡是商用的多模式掃描探針顯微鏡，由導電微懸臂探針101、微弱電流處理模塊102、掃描系統103構成。
由于本測量過程要保證針尖的定位精度達到納米級，并在測量時間內保持漂移速度低于0.05納米/秒，必須將掃描探針顯微鏡置于防振臺上，防振臺的防振要求為當振動頻率大于1赫茲時，振動速度的均方根值小于3微米/秒。室內要保持恒溫恒濕，掃描探針顯微鏡開啟2-3小時才能進行測量工作。
樣品6的要求為了保證激發光由樣品背面入射時有比較高的透過率，需視襯底對激發光的吸收情況減薄襯底。襯底對激發光透明時，將襯底減薄至50-100微米即可；對于吸收系數高的襯底材料，需要將其減薄至≤1微米，但是在下電極引出處要保持約10微米，便于后續電極制作。然后用常規的半導體工藝做好下電極脈沖激光波長和強度的選擇激光波長由待測材料的電子躍遷能量決定，但應避開掃描探針顯微鏡內部發光二極管的工作波長(～670nm)。當激光波長位于掃描探針顯微鏡內部硅探測器的探測波長范圍(200～1200nm)之內時，應在硅探測器窗口前加相應的濾波片，消除激發光對掃描探針顯微鏡的干擾。
激光強度的選擇依據兩個原則，首先是保證對待測納米結構的有效激發，其次是避免光熱和其它效應對待測區域或者納米結構形成損傷以及引起光電性質的改變。為解決兩者之間可能的矛盾，可以在確定足夠高的激發功率后，根據材料的尺寸和導熱系數決定脈沖周期的占空比，通過增加兩個脈沖激發之間的空位時間來釋放熱能。
下面以GaAs為襯底的自組織InAs/GaAs量子阱為實施例描述本發明的實施過程脈沖激光的選擇根據室溫下GaAs的吸收邊約在867nm，選擇略大于此波長的884nm鈦寶石激光器。由于自組織量子點具有比較高的光電轉換效率，因此對脈沖激發光的功率密度要求不高，輸出功率約40mW；考慮光斑的尺寸(～1mm)和襯底材料的導熱系數，使用占空比為1∶1的脈沖光即可實現激光能量的及時疏散，避免量子點因溫度顯著升高影響光電性能。測量時，需在掃描探針顯微鏡內的硅探測器窗口前加截波長為700nm的短波通濾光片，消除激發光對測量系統的影響。
然后采用上述的測量步驟1-4，得到量子點的結構，見圖2，并逐步縮小掃描范圍，直至指定量子點位于很小的掃描區域(90×90nm2)的中心，保持穩定后進入力校準測量方式，設定電路增益為1011V/A，打開激發光源，脈沖光束匯聚于樣品背面的導電針尖下的量子點及其周圍區域，量子點受激發產生的電流信號放大后進入示波器，由脈沖激光信號觸發示波器顯示和記錄。圖2為通過針尖對量子點加偏壓，得到不同偏壓下量子點的光電流響應圖。
權利要求
1.一種測量半導體納米結構光電性能的設備，其特點是該設備包括掃描探針顯微鏡(1)、脈沖激光器(2)、透鏡(3)、反射鏡(5)和光電信號耦合測量部件(4)；所述的掃描探針顯微鏡是商用的多模式掃描探針顯微鏡，包括微懸臂探針(101)、微弱電流處理模塊(102)、掃描系統(103)；所述的脈沖激光器經透鏡會聚可在樣品上形成≤1mm激光焦斑；掃描探針顯微鏡置于防振臺上；所述的光電信號耦合測量部件可以為示波器。
2.利用所述設備測量半導體納米結構的光電性能的方法，其特征在于包括下列步驟A.樣品的準備為了保證激發光由樣品背面入射時有比較高的透過率，需視襯底對激發光的吸收情況減薄樣品。如襯底對激發光透明，只需將襯底減薄至50-100微米即可；對激發光吸收較高的襯底材料，需將其減薄至1-2微米，然后用常規的半導體工藝做好下電極；B.將準備好的樣品(6)放置在掃描探針顯微鏡的樣品臺上，并使樣品的下電極和掃描探針顯微鏡樣品座的電極實現電聯結；C.在恒溫恒濕的環境下開啟掃描探針顯微鏡電源，工作模式設置為導電原子力顯微方式，在其穩定工作2-3小時后再進行測量；D.降低微懸臂，使導電針對樣品達到原子力接觸狀態，對樣品表面進行結構掃描，獲得樣品表面較大范圍的形貌像；然后選擇感興趣的區域逐步縮小掃描范圍，將需要測量光電響應的納米結構置于掃描范圍的中心；E.調整掃描探針顯微鏡設置為力校準測量方式；開啟激光電源，并使激光束經透鏡(3)聚焦和反射鏡(5)反射于樣品背面的指定區域，同時將激光脈沖觸發信號輸入示波器；此時掃描探針顯微鏡會控制微懸臂使針尖定位于掃描范圍中心的納米結構上；半導體納米結構受光激發產生的電流信號由導電針尖拾取進入掃描探針顯微鏡的微弱電流處理模塊，由電流模塊將信號放大輸入示波器，得到半導體納米結構的光電響應譜。
3.利用所述設備測量半導體納米結構的光電性能的方法，其特征在于所述的步驟E調整掃描探針顯微鏡設置為力校準測量方式；開啟激光電源，并使激光束經透鏡(3)聚焦和反射鏡(5)反射于樣品背面的指定區域，同時將激光脈沖觸發信號輸入示波器；此時掃描探針顯微鏡會控制微懸臂使針尖定位于掃描范圍中心的納米結構上，同時通過針尖對樣品加偏壓，可以獲得偏壓下的光電響應；施加不同偏壓，可以獲得不同偏壓下的光電響應。
4.利用所述設備測量半導體納米結構的光電性能的方法，其特征在于在重復上述步驟A、B、C后，調整掃描探針顯微鏡設置為力校準的陣列測量選項，根據需要設定選項參數，打開激光器，此時掃描探針顯微鏡按照所設選項參數逐點掃描指定區域，區域內受光激發產生的電流信號由導電針尖拾取進入掃描探針顯微鏡的微弱電流處理模塊，由電流模塊將信號放大輸入示波器，得到陣列所有點的光電流信號組成該區域的光電流圖像。
全文摘要
本發明公開了一種測量半導體納米結構光電性能的設備和方法，該設備包括掃描探針顯微鏡、脈沖激光器、透鏡和光電信號耦合測量部件。該方法是利用掃描探針顯微系統精確的空間定位和控制能力，使用導電針尖作為納米電極，并采用背面入射的方法將脈沖激光引入樣品待測區域，在對樣品實施結構掃描的同時獲得特定納米區域的光激發電學特性。本發明的優點是利用掃描探針顯微鏡的導電針尖作為高精度、高穩定性的移動納米電極，可以對樣品表面的微觀區域進行光電響應的二維成像，像點間的信息具有很高的可比性，有助于對半導體光電功能材料的均勻性實施高分辨率的檢測。
文檔編號G01N1/28GK1793874SQ20051011147
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月14日 優先權日2005年12月14日
發明者陸衛, 李天信, 李志鋒, 邵軍, 陳平平, 李寧, 張波, 陳效雙 申請人:中國科學院上海技術物理研究所