專利名稱：一種測(cè)量半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)光電性能的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體納米材料的測(cè)量，具體是指一種測(cè)量半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)光電性能的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體材料的一個(gè)最主要的發(fā)展趨勢(shì)是結(jié)構(gòu)尺寸的縮微化，這使得我們對(duì)一些高分辨能力的檢測(cè)方法依賴更多。
掃描探針顯微技術(shù)在它問(wèn)世二十多年來(lái)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種材料的表面形貌和電子結(jié)構(gòu)研究。其中原子力顯微技術(shù)由于對(duì)材料沒(méi)有導(dǎo)電性的要求，在形貌觀察以及表面修飾方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，很適合電導(dǎo)率跨度很大的半導(dǎo)體材料，是研究開(kāi)發(fā)和工藝檢測(cè)的良好工具。近年來(lái)，針對(duì)一些特殊測(cè)量要求，人們對(duì)原子力顯微鏡作了改進(jìn)，顯著擴(kuò)展了它的應(yīng)用范圍。如在微懸臂和被測(cè)材料表面之間加入電流回路以后，可以在執(zhí)行形貌掃描的同時(shí)獲得材料局域的微分電容或電流圖象。這些電路和系統(tǒng)的改進(jìn)使原子力顯微鏡不再是單純利用針尖和樣品間機(jī)械和力學(xué)作用過(guò)程進(jìn)行結(jié)構(gòu)成像和修飾的簡(jiǎn)單儀器，在對(duì)半導(dǎo)體材料和器件的微區(qū)漏電流、電勢(shì)和電容測(cè)量中已經(jīng)顯示了良好的效果。
但是，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，特別是光-電子集成化的趨勢(shì)，對(duì)半導(dǎo)體納米材料檢測(cè)技術(shù)提出了新的要求，即要求對(duì)納米材料和器件的光電子學(xué)性質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，目前還沒(méi)有相應(yīng)的設(shè)備可以進(jìn)行這方面的測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要提出一種可以對(duì)納米材料和器件的光電子學(xué)性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)的設(shè)備及方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是利用掃描探針顯微系統(tǒng)精確的空間定位和控制能力，使用導(dǎo)電針尖作為納米電極；并采用脈沖激光引入樣品背面待測(cè)區(qū)域，測(cè)量指定區(qū)域在光激發(fā)下的電子學(xué)響應(yīng)，以達(dá)到對(duì)半導(dǎo)體材料和器件納米結(jié)構(gòu)的光電子學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量的目的。
具體技術(shù)方案如下一種測(cè)量半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)光電性能的設(shè)備，該設(shè)備包括掃描探針顯微鏡、脈沖激光器、透鏡和光電信號(hào)耦合測(cè)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(dǎo)電微懸臂探針、微弱電流處理模塊、掃描系統(tǒng)；所述的脈沖激光器經(jīng)透鏡會(huì)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(tái)上；所述的光電信號(hào)耦合測(cè)量部件可以為示波器。
利用所述設(shè)備測(cè)量半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的光電性能的方法包括下列步驟1.樣品的準(zhǔn)備為了保證激發(fā)光由樣品背面入射時(shí)有比較高的透過(guò)率，需視襯底對(duì)激發(fā)光的吸收情況減薄樣品。如襯底對(duì)激發(fā)光透明，只需將襯底減薄至50-100微米即可；對(duì)激發(fā)光吸收較高的襯底材料，需將其減薄至≤1微米，然后用常規(guī)的半導(dǎo)體工藝做好下電極。
2.將準(zhǔn)備好的樣品放置在掃描探針顯微鏡的樣品臺(tái)上，并使樣品的下電極和掃描探針顯微鏡樣品座的電極實(shí)現(xiàn)電聯(lián)結(jié)。
3.在恒溫恒濕的環(huán)境下開(kāi)啟掃描探針顯微鏡電源，工作模式設(shè)置為導(dǎo)電原子力顯微方式，在其穩(wěn)定工作2-3小時(shí)后再進(jìn)行測(cè)量。目的是使掃描探針顯微鏡的壓電陶瓷、微機(jī)械和控制電路達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)。
4.降低微懸臂，使導(dǎo)電針對(duì)樣品達(dá)到原子力接觸狀態(tài)，對(duì)樣品表面進(jìn)行結(jié)構(gòu)掃描，獲得樣品表面形貌像；然后選擇感興趣的區(qū)域逐步縮小掃描范圍，將需要測(cè)量光電響應(yīng)的納米結(jié)構(gòu)置于掃描范圍的中心。
5.調(diào)整掃描探針顯微鏡設(shè)置為力校準(zhǔn)測(cè)量方式；開(kāi)啟激光電源，并使激光束經(jīng)透鏡聚焦和反射鏡反射于樣品背面的指定區(qū)域，同時(shí)將激光脈沖觸發(fā)信號(hào)輸入示波器；此時(shí)掃描探針顯微鏡會(huì)控制微懸臂使針尖定位于掃描范圍中心的納米結(jié)構(gòu)上；半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)受光激發(fā)產(chǎn)生的電流信號(hào)由導(dǎo)電針尖拾取進(jìn)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(hào)放大輸入示波器，得到半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的光電響應(yīng)譜。如果希望得到樣品在偏壓下的光電響應(yīng)，只需通過(guò)針尖對(duì)樣品加偏壓，可以獲得偏壓下的光電響應(yīng)譜；施加不同偏壓，可以獲得不同偏壓下的光電響應(yīng)譜。
6.如果希望得到樣品某一區(qū)域的光電性能，在重復(fù)上述步驟1、2、3后，調(diào)整掃描探針顯微鏡設(shè)置為力校準(zhǔn)的陣列測(cè)量選項(xiàng)，根據(jù)需要設(shè)定選項(xiàng)參數(shù)，打開(kāi)激光器，此時(shí)掃描探針顯微鏡按照所設(shè)選項(xiàng)參數(shù)逐點(diǎn)掃描指定區(qū)域，區(qū)域內(nèi)受光激發(fā)產(chǎn)生的電流信號(hào)由導(dǎo)電針尖拾取進(jìn)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(hào)放大輸入示波器，得到陣列所有點(diǎn)的光電流信號(hào)組成該區(qū)域的光電流圖像。
本發(fā)明有如下積極效果和優(yōu)點(diǎn)1.利用掃描探針顯微鏡的導(dǎo)電針尖作為高精度、高穩(wěn)定性的移動(dòng)納米電極，可以對(duì)樣品表面的微觀區(qū)域進(jìn)行光電響應(yīng)的二維成像，像點(diǎn)間的信息具有很高的可比性，有助于對(duì)半導(dǎo)體光電功能材料的均勻性實(shí)施高分辨率的檢測(cè)。
2.使用脈沖激光激發(fā)半導(dǎo)體的局部結(jié)構(gòu)，可以在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)納米結(jié)構(gòu)達(dá)到很高的激發(fā)強(qiáng)度。
3.激發(fā)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(shí)對(duì)入射激光的遮蔽和衍射效應(yīng)。


圖1為本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)施例InAs/GaAs單量子點(diǎn)的原子力顯微像；圖3為本實(shí)施例在884nm波長(zhǎng)，40mW脈沖光激發(fā)時(shí)，不同偏壓下的光電流譜。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的測(cè)量設(shè)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(hào)耦合測(cè)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(dǎo)電微懸臂探針101、微弱電流處理模塊102、掃描系統(tǒng)103構(gòu)成。
由于本測(cè)量過(guò)程要保證針尖的定位精度達(dá)到納米級(jí)，并在測(cè)量時(shí)間內(nèi)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(tái)上，防振臺(tái)的防振要求為當(dāng)振動(dòng)頻率大于1赫茲時(shí)，振動(dòng)速度的均方根值小于3微米/秒。室內(nèi)要保持恒溫恒濕，掃描探針顯微鏡開(kāi)啟2-3小時(shí)才能進(jìn)行測(cè)量工作。
樣品6的要求為了保證激發(fā)光由樣品背面入射時(shí)有比較高的透過(guò)率，需視襯底對(duì)激發(fā)光的吸收情況減薄襯底。襯底對(duì)激發(fā)光透明時(shí)，將襯底減薄至50-100微米即可；對(duì)于吸收系數(shù)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(xù)電極制作。然后用常規(guī)的半導(dǎo)體工藝做好下電極脈沖激光波長(zhǎng)和強(qiáng)度的選擇激光波長(zhǎng)由待測(cè)材料的電子躍遷能量決定，但應(yīng)避開(kāi)掃描探針顯微鏡內(nèi)部發(fā)光二極管的工作波長(zhǎng)(～670nm)。當(dāng)激光波長(zhǎng)位于掃描探針顯微鏡內(nèi)部硅探測(cè)器的探測(cè)波長(zhǎng)范圍(200～1200nm)之內(nèi)時(shí)，應(yīng)在硅探測(cè)器窗口前加相應(yīng)的濾波片，消除激發(fā)光對(duì)掃描探針顯微鏡的干擾。
激光強(qiáng)度的選擇依據(jù)兩個(gè)原則，首先是保證對(duì)待測(cè)納米結(jié)構(gòu)的有效激發(fā)，其次是避免光熱和其它效應(yīng)對(duì)待測(cè)區(qū)域或者納米結(jié)構(gòu)形成損傷以及引起光電性質(zhì)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(fā)功率后，根據(jù)材料的尺寸和導(dǎo)熱系數(shù)決定脈沖周期的占空比，通過(guò)增加兩個(gè)脈沖激發(fā)之間的空位時(shí)間來(lái)釋放熱能。
下面以GaAs為襯底的自組織InAs/GaAs量子阱為實(shí)施例描述本發(fā)明的實(shí)施過(guò)程脈沖激光的選擇根據(jù)室溫下GaAs的吸收邊約在867nm，選擇略大于此波長(zhǎng)的884nm鈦寶石激光器。由于自組織量子點(diǎn)具有比較高的光電轉(zhuǎn)換效率，因此對(duì)脈沖激發(fā)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(dǎo)熱系數(shù)，使用占空比為1∶1的脈沖光即可實(shí)現(xiàn)激光能量的及時(shí)疏散，避免量子點(diǎn)因溫度顯著升高影響光電性能。測(cè)量時(shí)，需在掃描探針顯微鏡內(nèi)的硅探測(cè)器窗口前加截波長(zhǎng)為700nm的短波通濾光片，消除激發(fā)光對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響。
然后采用上述的測(cè)量步驟1-4，得到量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2，并逐步縮小掃描范圍，直至指定量子點(diǎn)位于很小的掃描區(qū)域(90×90nm2)的中心，保持穩(wěn)定后進(jìn)入力校準(zhǔn)測(cè)量方式，設(shè)定電路增益為1011V/A，打開(kāi)激發(fā)光源，脈沖光束匯聚于樣品背面的導(dǎo)電針尖下的量子點(diǎn)及其周圍區(qū)域，量子點(diǎn)受激發(fā)產(chǎn)生的電流信號(hào)放大后進(jìn)入示波器，由脈沖激光信號(hào)觸發(fā)示波器顯示和記錄。圖2為通過(guò)針尖對(duì)量子點(diǎn)加偏壓，得到不同偏壓下量子點(diǎn)的光電流響應(yīng)圖。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)光電性能的設(shè)備，其特點(diǎn)是該設(shè)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(hào)耦合測(cè)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(tǒng)(103)；所述的脈沖激光器經(jīng)透鏡會(huì)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(tái)上；所述的光電信號(hào)耦合測(cè)量部件可以為示波器。
2.利用所述設(shè)備測(cè)量半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的光電性能的方法，其特征在于包括下列步驟A.樣品的準(zhǔn)備為了保證激發(fā)光由樣品背面入射時(shí)有比較高的透過(guò)率，需視襯底對(duì)激發(fā)光的吸收情況減薄樣品。如襯底對(duì)激發(fā)光透明，只需將襯底減薄至50-100微米即可；對(duì)激發(fā)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(guī)的半導(dǎo)體工藝做好下電極；B.將準(zhǔn)備好的樣品(6)放置在掃描探針顯微鏡的樣品臺(tái)上，并使樣品的下電極和掃描探針顯微鏡樣品座的電極實(shí)現(xiàn)電聯(lián)結(jié)；C.在恒溫恒濕的環(huán)境下開(kāi)啟掃描探針顯微鏡電源，工作模式設(shè)置為導(dǎo)電原子力顯微方式，在其穩(wěn)定工作2-3小時(shí)后再進(jìn)行測(cè)量；D.降低微懸臂，使導(dǎo)電針對(duì)樣品達(dá)到原子力接觸狀態(tài)，對(duì)樣品表面進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(qū)域逐步縮小掃描范圍，將需要測(cè)量光電響應(yīng)的納米結(jié)構(gòu)置于掃描范圍的中心；E.調(diào)整掃描探針顯微鏡設(shè)置為力校準(zhǔn)測(cè)量方式；開(kāi)啟激光電源，并使激光束經(jīng)透鏡(3)聚焦和反射鏡(5)反射于樣品背面的指定區(qū)域，同時(shí)將激光脈沖觸發(fā)信號(hào)輸入示波器；此時(shí)掃描探針顯微鏡會(huì)控制微懸臂使針尖定位于掃描范圍中心的納米結(jié)構(gòu)上；半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)受光激發(fā)產(chǎn)生的電流信號(hào)由導(dǎo)電針尖拾取進(jìn)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(hào)放大輸入示波器，得到半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的光電響應(yīng)譜。
3.利用所述設(shè)備測(cè)量半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的光電性能的方法，其特征在于所述的步驟E調(diào)整掃描探針顯微鏡設(shè)置為力校準(zhǔn)測(cè)量方式；開(kāi)啟激光電源，并使激光束經(jīng)透鏡(3)聚焦和反射鏡(5)反射于樣品背面的指定區(qū)域，同時(shí)將激光脈沖觸發(fā)信號(hào)輸入示波器；此時(shí)掃描探針顯微鏡會(huì)控制微懸臂使針尖定位于掃描范圍中心的納米結(jié)構(gòu)上，同時(shí)通過(guò)針尖對(duì)樣品加偏壓，可以獲得偏壓下的光電響應(yīng)；施加不同偏壓，可以獲得不同偏壓下的光電響應(yīng)。
4.利用所述設(shè)備測(cè)量半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的光電性能的方法，其特征在于在重復(fù)上述步驟A、B、C后，調(diào)整掃描探針顯微鏡設(shè)置為力校準(zhǔn)的陣列測(cè)量選項(xiàng)，根據(jù)需要設(shè)定選項(xiàng)參數(shù)，打開(kāi)激光器，此時(shí)掃描探針顯微鏡按照所設(shè)選項(xiàng)參數(shù)逐點(diǎn)掃描指定區(qū)域，區(qū)域內(nèi)受光激發(fā)產(chǎn)生的電流信號(hào)由導(dǎo)電針尖拾取進(jìn)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(hào)放大輸入示波器，得到陣列所有點(diǎn)的光電流信號(hào)組成該區(qū)域的光電流圖像。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種測(cè)量半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)光電性能的設(shè)備和方法，該設(shè)備包括掃描探針顯微鏡、脈沖激光器、透鏡和光電信號(hào)耦合測(cè)量部件。該方法是利用掃描探針顯微系統(tǒng)精確的空間定位和控制能力，使用導(dǎo)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(cè)區(qū)域，在對(duì)樣品實(shí)施結(jié)構(gòu)掃描的同時(shí)獲得特定納米區(qū)域的光激發(fā)電學(xué)特性。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是利用掃描探針顯微鏡的導(dǎo)電針尖作為高精度、高穩(wěn)定性的移動(dòng)納米電極，可以對(duì)樣品表面的微觀區(qū)域進(jìn)行光電響應(yīng)的二維成像，像點(diǎn)間的信息具有很高的可比性，有助于對(duì)半導(dǎo)體光電功能材料的均勻性實(shí)施高分辨率的檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N1/28GK1793874SQ20051011147
公開(kāi)日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2005年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月14日
發(fā)明者陸衛(wèi), 李天信, 李志鋒, 邵軍, 陳平平, 李寧, 張波, 陳效雙 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所