半导体量子阱中载流子浓度的测量方法技术

本发明专利技术公开了一种获取半导体量子阱中载流子浓度的方法，包括步骤：使用扫描探针显微镜的电学检测模式测量半导体量子阱横截面的局域电导分布；建立反映导电探针-量子阱肖特基接触电导和量子阱中载流子浓度关系的数值模型；根据测得的电导分布确定数值模型的参数和量子阱载流子浓度。该方法的空间分辨高，在分析窄量子阱以及耦合量子阱时具有优势；并且适用于从非简并到简并掺杂条件较宽的载流子浓度范围。该方法对于以量子阱为功能结构的半导体光电器件内在性能分析有重要价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体光电功能材料特征参数的检测，具体是指一种半导体量子阱中载流子浓度的获取方法。
技术介绍
半导体中的迁移电子或空穴，即载流子，是现代(光)电子器件的功能载体。在光电器件中，载流子在不同能态间的跃迁，对应了光子的吸收和发射，从而实现光能和电能之间的转换。鉴于此，半导体功能结构中载流子的浓度及其微观分布特征是决定器件性能的基本信息，在半导体量子功能结构中尤其如此，不管是对量子阱光电探测器还是量子级联激光器，其核心结构-量子阱中的载流子布居密度对器件的漏电特性和光电(或电光)转换效率都有直接的影响。半导体光电器件中量子阱的宽度常在十纳米以下，这使得当前一些常规的载流子浓度检测技术对于量子阱器件结构不再适用，例如霍尔(Hall)方法。其它具有空间分辨能力的测量方法主要包括电化学C-V方法(ECV)和二次离子质谱方法(SMS)，这两种方法都是从试样表面开始，逐层销蚀并分析试样直接或间接获得深度方向的载流子分布信息，但这种方式对于间接掺杂的量子阱或耦合量子阱结构中的载流子浓度测定不再有效；并且ECV法和SIMS方法对待测试样的横向尺寸有一定要求，对于十微米甚至更小尺度的器件结构检测难度较高。与之对应的是近年来基于扫描探针显微术的剖面测量技术的开发，这类方法通过检测功能材料横断面的电子学分布提取载流子浓度，不过其具体方案或者空间分辨还不能解析量子阱尺度，如扫描电容显微方法(SCM);或者对实测电子学信息的解读依赖人为可调参数，还不能由此实现载流子浓度的单向提取，如扫描分布电阻显微方法等。还需要指出，对响应波长在红外乃至远红外波段的量子阱功能结构，其子带能隙很窄，决定了量子阱中的载流子束缚能只有百毫电子伏以下，接近室温电子的热运动能量涨落，上述多数检测方法在可行性和测量精度方面都面临较大困难。为此，本专利技术结合扫描探针显微的电学分布测量和对实验检测的数值建模，提出一种获取半导体量子阱结构中载流子浓度分布的办法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种获取半导体量子阱中载流子浓度的方法。该方法的依据是量子阱横截面的电导分布可以由导电探针扫描测量，该电导分布与量子阱中的载流子浓度单调对应，并且可以由基于肖特基结电流机制的数值模型描述。依据上述原理，本专利技术获取量子阱中载流子浓度的步骤如下I.首先测量半导体量子阱横截面的局域电导分布。该步骤需要利用扫描探针显微镜的电学检测模式，可以是扫描分布电阻显微模式也可以是导电原子力显微模式，其中要求检测量程范围覆盖IO5至IO11欧姆或与之等效的电流范围。为达到必要的检测分辨和效果，试样应经处理以获得足够平整的横截面，合适的剖面均方粗糙度为I纳米及以下，为此采用的方法包括沿垂直于表面的晶向解理试样，或者对试样剖面进行精细抛光。然后视待测半导体的材料和掺杂特性，制备电学测量的公共电极，必要时需将试样抛角，并使用电极材料沉积和合金化电极工艺。测量量子阱横截面的电导分布时，选用硬度高于被检测半导体材料的导电探针或其针尖涂层材料，以获得高的电学空间分辨和稳定测量效果。测量条件为导电探针相对半导体试样正偏，具体偏压幅度的设定原则是测得量子阱相对量子势垒较强的局域电导信号，同时避免偏压过大产生强电场效应而偏离肖特基行为。通常为导电探针与量子阱形成肖特基接触势垒高度80%以下，肖特基势垒高度的初值可先由导电探针和半导体材料的功函数差值预估。同时导电探针对试样的接触压力根据量子阱的宽度、材料特性以及所加偏压进行调整，以保证电导分布的最佳空间分辨和相对信号强度。2.建立导电探针一量子阱肖特基接触电流密度的数值模型。导电探针与量子阱半导体材料形成了肖特基接触，其电流输运机制为热电子发射，同时考虑镜像力和热辅助隧穿效应引起的等效肖特基势垒降低，肖特基接触电流密度由以下公式描述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体量子阱中载流子浓度的测量方法，其特征在于步骤如下：1）使用扫描探针显微镜的电学模式测量量子阱横截面的局域电导分布，该测量模式下导电探针与量子阱材料形成肖特基型接触，并且所测局域电导分布能够分辨单个量子阱层；2）建立导电探针和量子阱之间肖特基型接触的电流密度数值模型，该数值模型以肖特基接触的热电子发射电流输运机制为基础，并且包含与量子阱中载流子浓度相关的等效势垒修正效应；3）确定导电探针－量子阱肖特基接触电流密度数值模型的参数，包括导电探针与半导体量子阱之间的有效接触面积和肖特基势垒高度，并计算导电探针－量子阱间局域电导与量子阱载流子浓度的关系曲线；4）依据步骤3）的局域电导与载流子浓度关系曲线，由步骤1）测得的量子阱局域电导反推其中的载流子浓度。

【技术特征摘要】
1.一种半导体量子阱中载流子浓度的测量方法，其特征在于步骤如下 I)使用扫描探针显微镜的电学模式测量量子阱横截面的局域电导分布，该测量模式下导电探针与量子阱材料形成肖特基型接触，并且所测局域电导分布能够分辨单个量子阱层； 2)建立导电探针和量子阱之间肖特基型接触的电流密度数值模型，该数值模型以肖特基接触的热电子发射电流输运机制为基础，并且包含与量子阱中载流子浓度相关的等效势垒修正效应； 3)确定导电探针一量子阱肖特基接触电流密度数值模型的参数，包括导电探针与半导体量子阱之间的有效接触面积和肖特基势垒高度，并计算导电探针一量子阱间局域电导与量子阱载流子浓度的关系曲线； 4)依据步骤3)的局域电导与载流子浓度关系曲线，由步骤I)测得的量子阱局域电导反推其中的载流子浓度。2.如权利要求I中所述的一种半导体量子阱中载流子浓度的测量方法，其特征在于使用的扫描探针显微镜电学测量模式包括导电原子力显微模式或扫描分布电阻显微模式，并通过下述方式保证局域电导分布测量的空间分辨和电学信号稳定性 1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：李天信，黄文超，陆卫，夏辉，姚碧霂，李宁，李志锋，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：