[发明专利]半导体量子阱中载流子浓度的测量方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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（SIMS），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，本发明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。

发明内容

本发明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，本发明获取量子阱中载流子浓度的步骤如下：

1.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10⁵至10¹¹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1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－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：