半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置和方法制造方法及图纸

提供了一种半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置和方法。该测量装置包括：光源组件，用于产生单色光和脉冲光；样品台，用于承载半导体样品或石墨样品；导电针尖，用于逼近承载于样品台上的半导体样品的表面目标区域或石墨样品，且与半导体样品或石墨样品间隔设置；及扫描开尔文探针显微镜，连接导电针尖，且用于在无光和加单色光时分别获取逼近表面目标区域的导电针尖上的第一接触电势差和第二接触电势差，且用于获取逼近石墨样品的导电针尖上的第三接触电势差；光谱探测器，用于在加脉冲光时获取表面目标区域的少数载流子的寿命；计算装置，用于根据第一接触电势差、第二接触电势差、第三电势差以及少数载流子的寿命计算出所述扩散系数。命计算出所述扩散系数。命计算出所述扩散系数。

【技术实现步骤摘要】
半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置和方法


[0001]本专利技术属于半导体
，具体地讲，涉及一种半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置和方法。

技术介绍

[0002]常见的测量半导体材料的载流子扩散系数的方法是霍尔法(Hall)，这种测量方法是直接利用霍尔效应测试出载流子的迁移率，然后再根据爱因斯坦关系得到载流子扩散系数。
[0003]然而，上述这种测量方法测得的是多数载流子的扩散系数。而半导体材料的性能常常受制于少数载流子的动力学性质。目前，通常采用光激发的测量条件来研究半导体材料的少数载流子的扩散系数，比如光诱导瞬态光栅技术(LITG)以及渡越时间技术(TOF)等。但是这两种方法的空间分辨率有限，无法研究半导体材料中纳米尺度的结构对扩散系数的影响。此外，对于半导体材料，位错等缺陷对扩散系数有重大的影响，因此迫切需要研究缺陷等纳米尺度的结构对载流子动力学性质的影响。

技术实现思路

[0004]为了解决上述现有技术存在的技术问题，根据本专利技术的实施例提供了一种半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置和方法。
[0005]根据本专利技术的实施例的一方面提供的一种半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置，其包括：光源组件，用于产生单色光和脉冲光；样品台，用于承载半导体样品或石墨样品；导电针尖，与所述样品台可相对移动地设置，所述导电针尖用于逼近承载于所述样品台上的所述半导体样品的表面目标区域或所述石墨样品，且与所述半导体样品或所述石墨样品间隔设置；以及扫描开尔文探针显微镜，连接所述导电针尖，所述扫描开尔文探针显微镜用于在无光和加所述单色光时分别获取逼近所述表面目标区域的所述导电针尖上的第一接触电势差和第二接触电势差，且用于获取逼近所述石墨样品的所述导电针尖上的第三接触电势差；光谱探测器，用于在加所述脉冲光时获取所述半导体样品的表面目标区域的少数载流子的寿命；计算装置，用于根据所述第一接触电势差、所述第二接触电势差、所述第三所述电势差以及所述少数载流子的寿命计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子的扩散系数。
[0006]在上述一方面提供的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置的一个示例中，所述计算装置包括：第一计算单元，用于根据所述第一接触电势差和所述第二接触电势差计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L；第二计算单元，用于根据所述第一接触电势差和所述第三接触电势差计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W；第三计算单元，用于利用所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L减去所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W，以得到所述表面目标区域的
空间电荷区的扩散长度L；第四计算单元，用于根据所述表面目标区域的空间电荷区的扩散长度L和所述少数载流子的寿命τ计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子扩散系数D。
[0007]在上述一方面提供的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置的一个示例中，所述第四计算单元进一步用于利用下面的式子1，并根据所述表面目标区域的空间电荷区的扩散长度L和所述少数载流子的寿命τ计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子扩散系数D，
[0008][式子1]D＝L2/τ。
[0009]在上述一方面提供的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置的一个示例中，所述第一计算单元进一步用于利用所述第二接触电势差减去所述第一接触电势差，以得到所述表面目标区域的表面光电压光谱SPV(λ)，且利用下面的式子2和所述表面光电压光谱拟合出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L，
[0010][式子2][0011]其中，k0为玻耳兹曼常数，T为温度，α(λ)为所述半导体样品的吸收系数谱，R0为所述半导体样品的表面复合速率，P(λ)为所述单色光入射到所述半导体样品上的光子流密度，q为单个电子的电荷量。
[0012]在上述一方面提供的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置的一个示例中，所述第二计算单元进一步用于利用下面的式子3并根据所述第三接触电势差和所述第一接触电势差计算出所述半导体样品的能带弯曲V
b
，且利用下面的式子4并根据所述半导体样品的能带弯曲V
b
计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W，
[0013][式子3]V
b
＝(φ
graphene
‑
χ
semicondictor
‑
eV
‑
φ
n
)/e
[0014][式子4][0015]其中，V等于所述第一接触电势差减去所述第三接触电势差，所述半导体样品的费米面距离价带顶的距离k0为玻耳兹曼常数，T为温度，q为单个电子的电荷量，N
C
为所述半导体样品的导带的有效状态密度，N为所述半导体样品的载流子浓度，φ
graphene
为所述石墨样品的功函数，χ
semiconductor
为所述半导体样品的亲合能。
[0016]根据本专利技术的实施例的另一方面提供的一种半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量方法，其包括：在无光入射至半导体样品的情况下，利用连接已逼近所述半导体样品的表面目标区域的导电针尖的扫描开尔文探针显微镜获取所述导电针尖上的第一接触电势差；在单色光入射至所述半导体样品的情况下，利用连接已逼近所述半导体样品的表面目标区域的导电针尖的扫描开尔文探针显微镜获取所述导电针尖上的第二接触电势差；在脉冲光入射至所述半导体样品的情况下，利用光谱探测器获取所述半导体样品的表面目标区域的少数载流子的寿命；在无光入射至石墨样品的情况下，利用连接已逼近所述石墨样品的表面目标区域的导电针尖的扫描开尔文探针显微镜获取所述导电针尖上的第三接触电势差；根据所述第一接触电势差、所述第二接触电势差、所述第三所述电势差以及所述少数载流子的寿命计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子的扩散系数。
[0017]在上述一方面提供的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量方法的一个示例中，所述根据所述第一接触电势差、所述第二接触电势差、所述第三所述电势差以及所述少数载流子的寿命计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子的扩散系数，具体包括：根据所述第一接触电势差和所述第二接触电势差计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L；根据所述第一接触电势差和所述第三接触电势差计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W；利用所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L减去所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W，以得到所述表面目标区域的空间电荷区的扩散长度L；根据所述表面目标区域的空间电荷区的扩散长度L和所述少数载流子的寿命τ计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子扩散系数D。
[0018]在上述一方面提供的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量方法的一个示例中，所述根据所述表面目标区域的空间电荷区的扩散长度L本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：光源组件，用于产生单色光和脉冲光；样品台，用于承载半导体样品或石墨样品；导电针尖，与所述样品台可相对移动地设置，所述导电针尖用于逼近承载于所述样品台上的所述半导体样品的表面目标区域或所述石墨样品，且与所述半导体样品或所述石墨样品间隔设置；以及扫描开尔文探针显微镜，连接所述导电针尖，所述扫描开尔文探针显微镜用于在无光和加所述单色光时分别获取逼近所述表面目标区域的所述导电针尖上的第一接触电势差和第二接触电势差，且用于获取逼近所述石墨样品的所述导电针尖上的第三接触电势差；光谱探测器，用于在加所述脉冲光时获取所述半导体样品的表面目标区域的少数载流子的寿命；计算装置，用于根据所述第一接触电势差、所述第二接触电势差、所述第三所述电势差以及所述少数载流子的寿命计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子的扩散系数。2.根据权利要求1所述的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置，其特征在于，所述计算装置包括：第一计算单元，用于根据所述第一接触电势差和所述第二接触电势差计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L；第二计算单元，用于根据所述第一接触电势差和所述第三接触电势差计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W；第三计算单元，用于利用所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L减去所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W，以得到所述表面目标区域的空间电荷区的扩散长度L；第四计算单元，用于根据所述表面目标区域的空间电荷区的扩散长度L和所述少数载流子的寿命τ计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子扩散系数D。3.根据权利要求2所述的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置，其特征在于，所述第四计算单元进一步用于利用下面的式子1，并根据所述表面目标区域的空间电荷区的扩散长度L和所述少数载流子的寿命τ计算出所述半导体样品的纳米尺度少数载流子扩散系数D，[式子1]D＝L2/τ。4.根据权利要求2或3所述的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置，其特征在于，所述第一计算单元进一步用于利用所述第二接触电势差减去所述第一接触电势差，以得到所述表面目标区域的表面光电压光谱SPV(λ)，且利用下面的式子2和所述表面光电压光谱拟合出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W和扩散长度L之和W+L，[式子2]其中，k0为玻耳兹曼常数，T为温度，α(λ)为所述半导体样品的吸收系数谱，R0为所述半导体样品的表面复合速率，P(λ)为所述单色光入射到所述半导体样品上的光子流密度，q为单个电子的电荷量。
5.根据权利要求2或3所述的半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量装置，其特征在于，所述第二计算单元进一步用于利用下面的式子3并根据所述第三接触电势差和所述第一接触电势差计算出所述半导体样品的能带弯曲V
b
，且利用下面的式子4并根据所述半导体样品的能带弯曲V
b
计算出所述表面目标区域的空间电荷区的宽度W，[式子3]V
b
＝(φ
graphene
‑
χ
semicondictor
‑
eV
‑
φ
n
)/e[式子4]其中，V等于所述第一接触电势差减去所述第三接触电势差，所述半导体样品的费米面距离价带顶的距离k0为玻耳兹曼常数，T为温度，q为单个电子的电荷量，N
C
为所述半导体样品的导带的有效状态密度，N为所述半导体样品的载流子浓度，φ
graphene
为所述石墨样品的功函数，χ
semiconductor
为所述半导体样品的亲合能。6.一种半导体材料纳米尺度少数载流子扩散系数测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：在无光入射至半导体样品的情况下，利用连接已逼近所述半导体样品的表面目标区域的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亚坤，刘争晖，徐耿钊，宋文涛，张春玉，陈科蓓，韩厦，徐科，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：