專利名稱：半導體納米線少數載流子壽命的檢測方法
技術領域：
本發明涉及低維結構半導體材料的檢測，具體是指一種半導體納米線少數載流子壽命的新型測量方法。
背景技術：
半導體納米線因其獨特的結構和光電特性，在光電探測和太陽能收集領域獲得了廣泛的關注。少數載流子壽命(以下簡稱少子壽命)是決定器件光電性能的主要因素。納米線由于具有很高的表面-體積比，使得表面散射對其少子壽命的影響顯著，這與體材料具有很大的差異。因此對單根納米線壽命的提取，對于其材料特性優化及器件的性能提升和應用有十分積極的意義。而到目前為止，發展的對于半導體納米線等低維結構載流子、激子壽命的表征手段則主要包括太赫茲時間分辨光譜和時間分辨光致發光譜。上述這些測量方法首先，考察的是半導體的瞬態光生載流子延遲響應；其次，對單根納米線少子壽命的測量，往往需要在低溫下進行，且對實驗設備和測量條件的要求很高；再者，光注入的非平衡載流子濃度可以達到1017cm_3，已經有證據顯示納米線中的電學結構會因此改變，導致少子壽命與光強相關，因而不能代表納米線在光電應用中的狀態。為此在接近準平衡態、低光激發功率密度等光電器件工作條件下的少子壽命提取具有十分重要的意義。本發明基于對單根納米線的光電流測量，并與數值模擬結合提取單根納米線的少子壽命。
發明內容
本發明是針對現有分析技術的不足，提供一種適用于半導體納米線的光電子學檢測方法。對分子束外延生長或者刻蝕得到的豎直納米線陣列即可進行表征，納米線需要有摻雜襯底或者摻雜緩沖層。本方法在獲取單根半導體納米線定量光激發電流的同時，可以提取到其中的少子壽命。本發明的依據是肖特基電極反偏下，半導體納米線的光電流隨偏壓的增長趨勢取決于肖特基勢壘寬度和少子擴散長度的相對大小。其中肖特基勢壘的寬度由納米線本身的摻雜、電極特性等決定，對偏壓有固定的依賴關系；而少子擴散長度則由少子壽命決定，其變化會直接反映到納米線的光電響應當中。因此通過建立基于納米線實際能帶結構、摻雜、尺寸、電極等特性的數值模型，定量擬合實驗上表征到的光電流曲線，可以獲取單根納米線的少子壽命。本方法首先是納米線樣品的制備和單根納米線光電流的測量。采用機械旋涂的方法，在納米線樣品上均勻得旋涂一層聚合物。然后對樣品進行烘焙固化，最終通過拋光減薄的方法使得納米線的頂端裸露出來，以達到測量的要求。對納米線的光電流測量一方面選取穩定的外接光源來激發納米線，要求功率可調且光子能量要大于納米線的禁帶寬度；另一方面對單根納米線的電學測量則依靠導電原子力顯微鏡。在對納米線樣品上表面的掃描過程中，借助于半導體與周圍聚合物的導電性差異來定位單根納米線，進而完成電流特性的測量。其次建立基于實驗配置(納米線能帶結構、摻雜、尺寸及考慮測量中導電針尖與半導體納米線形成的肖特基接觸)的數值模型，定量擬合光電流實驗曲線。建模采用商用化軟件，納米線實驗上的暗電流水平可以幫助確定針尖-納米線肖特基電極的勢壘高度。單根半導體納米線的載流子壽命可以通過定量擬合光生電流獲取，在這個過程中，僅將光激發功率和少子壽命設置為兩個可調的參數。其中光激發功率決定了光電流的量級，而少子壽命則是定量擬合的關鍵參數，因為它主導了肖特基反偏下光電流隨偏壓的增長趨勢。本發明的優勢首先體現在通過簡單的樣品制備就可以方便得獲取單根納米線的定量光響應，并提取少子壽命，為不同樣品之間甚至同一樣品中個體之間的差異提供評估依據。其次，該方法激發納米線的功率密度較低，光生載流子的濃度低于IO14cnT3，與時間分辨光譜方法相比要低3個量級，所以不會改變納米線的電學狀態。與此同時光生載流子的產生和復合接近平衡態。這些都接近光電器件工作時的條件，因而提取到的參數對于納米線在光電探測和太陽能收集方面的研究和應用具有重要參考價值。
圖I為本發明實施例中樣品經包裹、拋光處理之后的截面SEM圖片。圖2為本發明對單根納米線的光電流測量示意圖，圖中左半部分為對應的能帶示意圖。圖3為本發明實施例中單根GaAs納米線不同光激發功率下的IV曲線。圖4為本發明實施例中對單根GaAs納米線的少子壽命擬合。
具體實施例方式下面以GaAs納米線為實施例，結合附圖對本發明的具體實施方式
作詳細說明。納米線樣品的制備包括旋涂包裹、烘焙、拋光等步驟。首先通過機械旋涂的方法在樣品上表面旋涂一層均勻的聚合物(折射率要低于納米線材料，厚度略高于納米線的高度)；然后對包裹的樣品進行烘焙，使其完全固化；最后通過拋光減薄的方法去除頂端的包裹物，使得納米線頂端裸露出來，以達到測量的要求。本實施例中制備好的樣品截面SEM圖片如圖I所不。圖2是本發明對單根納米線光電流的測量示意圖。樣品的襯底或緩沖層如果為η型摻雜，則需要在其側壁蒸渡Au/Ge/Ni并退火形成歐姆接觸，以作為所有納米線的公共下電極。納米線的上電極(肖特基電極)則通過導電針尖與納米線頂端橫截面接觸形成。本實施例中對單根納米線的電學測量采用美國Veeco公司生產的Multimode Nanoscope IV掃描探針顯微鏡的導電原子力顯微模式，選用金剛石涂層的導電針尖。對納米線的光激發宜選取光子能量大于其禁帶寬度的激發源(激光器、LED等)，其功率的調節范圍應保證在有效激發納米線的同時避免光電流數值上超出電學測量系統的量程。本實施例中對單根GaAs納米線的光電流測量結果如圖3所示。暗背景(OyW)下，IV曲線呈現典型的肖特基整流特性，這源自于導電針尖與納米線形成的肖特基電極，整個系統的能帶結構示意圖見圖2。測量中電壓由下電極施加，故正向偏壓對應于肖特基電極的反偏。值得指出的是隨著光激發功率的提高，納米線內光生載流子的濃度會隨之增加。因此反偏下肖特基電極收集到的光生少子(空穴)會顯著增多，最終表現為電流的增大。根據所測納米線的摻雜等特性，在避免針尖-納米線肖特基反向擊穿的情況下，測量時盡可能使用較寬的偏壓范圍，這樣有利于提高少數載流子壽命的確定精度對納米線光電響應的擬合可以采用SENTAURUS TCAD軟件進行數值建模，摻雜、尺寸、電極設置等參照實驗配置，暗背景下電流的量級水平可以幫助來確定針尖-納米線肖特基電極的勢壘高度。圖4為實施例中對單根GaAs納米線的少子壽命擬合，2根不同摻雜條件納米線的壽命分別為55ps和0.2ps。實驗結果為納米線的凈光生電流數據。模擬中通過調節激發功率和少子壽命兩個參數來進行擬合。前者決定了光生電流的量級；后者為擬合的關鍵參數，主導了肖特基電極反偏下光生電流隨電壓的增加趨勢。以上所述的實施例僅為了說明本發明的技術思想及特點，其目的在于使本領域的普通技術人員能夠了解本發明的內容并據以實施，本發明的范圍不僅局限于上述具體實施例，即凡依本發明所揭示的精神所作的同等變化或修飾，仍涵蓋在本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種半導體納米線的少數載流子壽命檢測方法，其特征在于包括以下步驟 1)對待測納米線或納米線陣列進行絕緣支撐； 2)通過拋光減薄樣品正面的支撐介質，使納米線頂端裸露出來； 3)試樣基片形成歐姆接觸,用來作為公共下電極； 4)測量肖特基接觸下單根納米線的光電流-偏壓曲線； 5)建立納米線光電流測量體系的數值模型； 6)對單根納米線肖特基反偏下的光生電流-偏壓曲線進行擬合，得出少數載流子壽命; 7)重復步驟4)-6)，測量其它納米線的光電流并擬合得出少數載流子壽命。
2.如權利要求書I中所述的一種半導體納米線的少數載流子壽命檢測方法，其特征在于在步驟I)中所述的絕緣支撐使用折射率小于納米線材料的聚合物并采用機械旋涂方法實現。
3.如權利要求書I中所述的一種半導體納米線的少數載流子壽命檢測方法，其特征在于在步驟4)中所述的測量單根納米線的光電流-偏壓曲線時使用導電原子力顯微鏡；利用導電性差異區分納米線和支撐介質；在測量時引入外接的光源，使用的激發光光子能量大于納米線材料的能帶隙。
4.如權利要求書I中所述的一種半導體納米線的少數載流子壽命檢測方法，其特征在于步驟5)中所述的數值模型中包含了針尖-納米線-基片的能帶結構、摻雜狀況、尺寸等實際參數；以光激發功率和少數載流子壽命作為可調參數對光電流-電壓曲線進行定量擬合，擬合步驟是首先調節光激發功率來實現光生電流的匹配，然后調節少數載流子壽命使得計算的光電流-電壓關系與實測一致，此時的壽命參數即為待測納米線的少數載流子壽命O
全文摘要
本發明公開了一種半導體納米線中少數載流子壽命的檢測方法，該方法首先利用導電掃描探針測量單根納米線肖特基反偏下的光激發電流響應，然后利用數值模型對光電流-偏壓曲線進行定量擬合，確定半導體納米線中的少數載流子壽命。本方法適用于外延和刻蝕等方法制備的納米線樣品中單納米線載流子動力學特性的測定，并且本方法使用了較低的光激發強度，更接近納米線在光電器件中的工作狀態，因而對于分析、評估納米線及其光電器件的核心性能有重要價值。
文檔編號G01R31/26GK102621465SQ201210072969
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月19日 優先權日2012年3月19日
發明者夏輝, 姚碧霂, 李天信, 胡偉達, 陸衛, 黃文超 申請人:中國科學院上海技術物理研究所