一种对低维半导体载流子漂移过程直接成像的方法技术

本发明专利技术提供了一种对低维半导体载流子漂移过程直接成像的方法。该方法包括，利用载流子传输层实现载流子的空间分离，使样品内只存在单一种类的载流子(电子或空穴)；通过平行板电容施加空间上均匀分布的外部电场；使用瞬态吸收显微系统对不同时间延迟下的载流子分布情况进行直接成像；通过高斯曲线拟合得到载流子的平均漂移距离，进一步结合场强大小与时间延迟拟合计算电子(或空穴)的迁移率。本发明专利技术克服了传统方法无法对低维半导体材料迁移率进行精确测量的局限性，并且提出了对单一种类载流子迁移率测量的方法，为揭示材料的光物理过程、探究对材料迁移率的影响因素提供实验测量方法。方法。方法。

【技术实现步骤摘要】
一种对低维半导体载流子漂移过程直接成像的方法


[0001]本专利技术涉及在电场作用下对载流子漂移过程的高时空分辨率直接成像方法，特别涉及对低维半导体材料单一种类载流子(电子或空穴)漂移过程直接成像的方法。属于超快检测领域。

技术介绍

[0002]半导体材料的载流子(电子、空穴)迁移率是衡量半导体光电性能的重要参数，直接决定了以半导体为基础的光电转换器件的性能。传统的测量方法是测量材料的电学参数，通过对测得电学参数的拟合得到对应载流子的迁移率，例如使用霍尔效应法，渡越时间法等。此类方法不仅对测试样品的性质有特定的需求，如样品几何特征和大小，样品与电极功函数的差值等因素，而且是一种间接测量方式，通过电信号变化表征载流子漂移过程的平均效应，无法对载流子漂移过程进行直接成像观测。
[0003]随着低维半导体材料以及微纳器件的发展，对此类材料载流子迁移率、扩散常数的精确测量，对于光子
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材料相互作用的物理机制的揭示以及电子元器件的应用尤为重要。但是对于低维材料来说，其几何尺寸会在一个或多个维度上趋于纳米级或原子级大小，无法满足传统测量方法中对于待测样品几何大小的需求；同时，利用金属电极为材料施加外部电压时，金属电极与半导体材料界面形成肖特基势垒，很难在一定的电压范围内使电极与材料保持欧姆接触，因而无法得到理想的电压
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电流测试曲线，进而影响对迁移率的拟合结果。在使用不同的测试方法对同一种材料进行测量时，由于测试原理的不同，测试结果会出现1
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2个量级上的差距。/>[0004]低维材料由于其在一个或多个维度上的尺寸与波尔半径相当，因此材料会体现出较强的量子限域效应。光生载流子一般以激子的形式存在，自由电子和自由空穴的密度低且难以准确计算，进而影响对迁移率的测量与拟合计算；另外，低维材料还会受到原子空位，掺杂等因素的影响，或由于电子与空穴的有效质量不同，可能会出现电子与空穴的迁移率差距较大的情况，而现有技术无法对电子或空穴其中的一种进行单独测量，无法精确的获取单一种类载流子(电子或空穴)的迁移率，进而限制了对材料光电性质的研究及应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了解决传统通过电信号测量的方法进行间接测量带来的系统测试误差以及无法分别对电子空穴迁移率进行测量的问题，提供一种对低维半导体载流子漂移过程直接成像的方法；本专利技术基于瞬态吸收光谱测试系统，结合二型半导体异质结的结构，促进电子与空穴的在空间上的分离，实现对单一种类载流子(电子或空穴)漂移过程的直接成像，进一步拟合得到单一种类载流子的迁移率。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]样品制备方面，通过二型半导体范德华异质结制备实现电子与空穴在空间上进行分离，以达到被测样品中只存在单一种类的载流子(电子或空穴中的一种)的目的。即当待
测载流子类型为电子(空穴)时，样品搭配空穴(电子)传输层构建范德华异质结。对于两种材料的能带结构，要求空穴(电子)传输层的导带底高于(低于)待测样品的导带底；空穴(电子)传输层的价带顶低于(高于)待测样品的导带顶。
[0008]电子或空穴传输层应使用载流子迁移率较高，且层间迁移速率快的样品，并且保证传输层材料本身为二维材料，以防止表面悬挂键、晶格失配等问题影响材料的本征性质，以影响探测。
[0009]在空间上通过平行金属板来施加空间电场，通过施加电压大小改变空间电场的场强大小，同时保证样品放置于平行板的中央，以忽略边缘效应。
[0010]为得到不同时间延迟下的载流子空间分布情况，采用一维线性平移台进行光程的控制来测试不同时间下的光生载流子分布情况，通过二维振镜使得探测光在样品表面进行扫描以得到不同位置的光生载流子密度。通过在固定的时间延迟下，依次改变二维振镜的控制电压值，即得到不同时间延迟下的载流子密度分布图。
[0011]激发光与探测光均通过空间滤波系统进行空间整形，保证两束光在空间上的分布满足高斯分布，以提高拟合的准确性。
[0012]根据被测样品的能带结构以及所测载流子(电子或空穴)所在的能谷位置，计算对应载流子从基态跃迁至此激发态所需的能量大小。一般的，使得激发光的单光子能量高于此能量大小，同时使探测光的波长与此能量共振。
[0013]在得到不同时间延迟下载流子的空间分布情况后，观察随着时间延迟的增大，载流子的密度分布是否在扫描空间表面满足二维高斯分布，如满足则载流子为均匀的漂移过程，不满足则载流子漂移过程不均匀。
[0014]对于载流子漂移运动均匀的情况，每个时间延迟下的光生载流子密度均可通过高斯分布进行拟合，拟合公式为：式中t2为时间延迟，(x
t2
,y
t2
)即为t2时刻高斯峰的坐标值，n(x,y,t2)表示载流子密度随坐标和时间的函数，N2为拟合系数，和分别表示在x和y方向上的高斯曲线方差。通过峰值位置随时间延迟的变化，即计算拟合得到载流子平均漂移速度。信号拟合示意图如附图2所示。
[0015]对于载流子漂移运动不均匀的情况，在扫描平面内选取沿电场方向的若干条线，对每一条线上的数据进行一维高斯分布曲线进行拟合，拟合公式为：式中t1为时间延迟，x
t1
即为t1时刻高斯峰的坐标值，n(x,t1)表示载流子密度随坐标和时间的函数，N1为拟合系数，表示在x方向上的高斯曲线方差。通过拟合获得不同时间延迟下高斯曲线的峰值位置，计算得到在此条选取的数据线上的载流子漂移速度；进一步通过选取多条沿电场方向的数据线进行拟合，将漂移速度取平均得到样品的平均漂移速度。信号拟合示意图如附图3所示。
[0016]由于二型半导体异质结形成的内建电场只存在于两种界面的界面处(耗尽层内)，因此光生电子与空穴只有在界面处，需保证测试区域均在异质结界面的影响范围内。
[0017]有益效果
[0018]1、该方法实现了在外加电场的作用下，对光生载流子密度的空间分布进行直接成
像，并且配合时间延迟平台的使用，直接得到在不同时间延迟下，由于外部电场作用导致光生载流子密度的空间分布变化，配合使用载流子传输层，使被测材料中只保留电子或空穴的一种，最后对得到的数据利用高斯曲线模型进行拟合，在高时空分辨率的情况下对单一种类载流子(电子或空穴)迁移率进行直接计算，免除了其他方法由于间接测量所带来的系统误差。
[0019]2、系统的空间分辨率取决于对高斯峰值位置的拟合结果，区分于其他光学探测系统中空间分辨率依赖于光斑的衍射极限。对高斯曲线的拟合精度，即系统的空间分辨率由平移台位移精度，系统探测信号的信噪比大小决定。通过使用高重频激光以及锁相放大器，提高系统的探测信噪比，使用纳米级精度位移台，使系统的空间测量精度突破光学衍射极限。
附图说明
[0020]图1是本专利技术的光路原理示意图。
[0021]图2为载流子均匀扩散下，根据不同延迟下的信号强度分布拟合载流子迁移速率示意图。
[0022]图3为载本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种对低维半导体载流子漂移过程直接成像的方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、选取载流子传输层，所述载流子传输层的导带底高于待测样品的导带底；空穴传输层的价带顶低于待测样品的导带顶；或者，所述载流子传输层的导带底低于待测样品的导带底；电子传输层的价带顶高于待测样品的导带顶；所述载流子传输层与待测样品形成二型半导体结构，使得待测样品中只存在单一种类的载流子，即仅存在电子或空穴；步骤二、对步骤一得到的待测样品放置于三维位移台上，并施加均匀的外部电场；步骤三、使用瞬态吸收探测系统对异质结区域进行扫描探测，得到不同时间延迟下光生载流子空间分布情况；判断随时间延迟增加载流子漂移过程的均匀性，然后使用不同的高斯曲线拟合模型进行拟合；拟合计算获得在外部电场作用下的平均漂移速度，进而计算单一种类(电子或空穴)载流子的迁移率。2.如权利要求1所述的对低维半导体载流子漂移过程直接成像的方法，其特征在：步骤四所述判断均匀性的方法为：判断在不同时间延迟下，光生载流子密度分布，即信号分布是否在扫描平面内满足二维高斯分布，满足即漂移过程均匀，不满足即漂移过程不均匀。3.如权利要求1或2所述的对低维半导体载流子漂移过程直接成像的方法，其特征在于：当光生载流子漂移过程均匀时，使用公式：进行拟合，式中t2为时间延迟，(x
t2
,y
t2
)即为t2时刻高斯峰的坐标值，n(x,y,t2)表示载流子密度随坐标和时间的函数，N2为拟合系数，和分别表示在x和y方向上的高斯曲线方差。通过获取不同时...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜澜，高国权，朱彤，杨飞，邓昱铭，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：