[发明专利]一种纳米硅浮栅结构中的微观区域电荷注入和定量分析方法

摘要

一种纳米硅浮栅结构中的微观区域电荷注入和定量分析方法，利用原子力显微镜和开尔文探测方法实现纳米硅浮栅结构的电荷注入纳米硅浮栅结构是碳化硅/纳米硅/碳化硅三明治结构，其中样品硅衬底在原子力显微镜轻敲模式下，给原子力显微镜导电探针外加+3V和–3V的偏压扫描样品硅衬底上纳米硅浮栅结构表面，实现电荷注入；电荷注入后，原子力显微镜立即从轻敲模式切换为表面电势模式，此模式通过两步扫描和开尔文方法获得试样的表面电势信号；采用静电场分析和数值计算定量研究电荷注入，并通过静电场分析和数值计算获得电荷注入数目。

主权项

一种纳米硅浮栅结构中的微观区域电荷注入和定量分析方法，其特征是利用原子力显微镜和开尔文探测方法实现纳米硅浮栅结构的电荷注入和探测，通过静电场分析和数值计算获得电荷注入数目，包含以下步骤：1）纳米硅浮栅结构中微观区域电荷的注入在室温和大气环境下，使用导电银浆将纳米硅浮栅结构的样品衬底与测试托盘粘连并使样品衬底接地，纳米硅浮栅结构是碳化硅/纳米硅/碳化硅三明治结构，其中样品硅衬底在原子力显微镜轻敲模式下，给原子力显微镜导电探针外加+3V和–3V的偏压扫描样品硅衬底上纳米硅浮栅结构表面，实现电荷注入；2）纳米硅浮栅结构中注入电荷的探测电荷注入后，原子力显微镜立即从轻敲模式切换为表面电势模式（KPFM），此模式通过两步扫描和开尔文方法获得试样的表面电势信号：第一步在轻敲模式下先扫描试样的形貌线；紧接着第二步探针抬起一定高度（几十到几百纳米之间）探测试样的表面电势，此时控制电路给导电探针外加一直流交流混合电压信号，其中交流信号频率为导电探针共振频率，直流信号通过反馈系统自动控制而使探针的振动振幅为零，最后输出直流电压信号即为表面电势值；由于电荷的注入，表面电势的数值将发生变化；3）采用静电场分析和数值计算定量研究电荷注入通过静电场分析，将注入电荷引起的表面电势变化分解为硅衬底电势和纳米硅浮栅结构上的电势两部分：SP＝ψs+Vf，其中纳米硅浮栅结构的电势Vf与注入电荷成正比： V f = σ ( d nc 2 ϵ Si + d tn ϵ SiC ) , 其中符号定义：dnc，dtn，εSi和εSiC分别为纳米硅层和底层碳化硅的厚度和介电常 数，σ为注入电荷面密度；硅衬底电势与注入电荷的关系需数值求解一维泊松方程： σ im = + - 2 ϵ Si β L Dp { [ exp ( - β ψ s ) + β ψ s - 1 ] + n p 0 p p 0 [ exp ( β ψ s ) - β ψ s - 1 ] } 1 / 2 式中σim=‑σ为硅衬底中镜像电荷面密度，nn0和pn0为p型硅衬底中平衡态电子和空穴密度，β=q/kBT（q是单位电荷，kB为玻尔兹曼常数，T为温度），LDp=(εSi/qpp0β)1/2为硅衬底德拜长度。此式当ψs<0时取正号而当ψs>0时取负号；这样就根据实验所得表面电势通过数值求解超越方程组的方法定量获知注入电子或空穴的数目。