CN110346607A - 一种定量探测半导体量子点载流子浓度分布的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种定量探测半导体量子点载流子浓度分布的方法，包括如下步骤：利用原子力显微镜探测半导体量子点的表面形貌和尺寸，同时利用开尔文探针力显微镜探测单个量子点的接触功函数差信息；根据开尔文探针力显微镜图像的KFM信号与试样表面电势间的卷积关系，利用维纳滤波法从接触功函数差图像中提取出量子点的表面电势分布；根据静电场泊松方程，从量子点表面电势分布中定量提取出载流子浓度的分布信息。本发明为非接触式探测，无需电极，能够排除电极接触的影响；能够直接对单个半导体量子点进行探测，而常规探测手段只能给出大量量子点的统计平均值；适用于各种具有不同介电常数的半导体量子点材料。

Description

一种定量探测半导体量子点载流子浓度分布的方法
技术领域
本发明涉及一种探测载流子浓度的方法，特别是涉及一种定量探测半导体量子点载流子浓度分布的方法。
背景技术
半导体量子点材料因其独特的量子限域效应、库仑阻塞效应而在新型的发光二极管(LED)，太阳能电池、非易失性存储器等领域具有广泛的应用前景。在这些器件中，量子点中的载流子浓度分布可能受到掺杂、电注入、光注入等因素的影响，而载流子分布又会显著影响发光二极管的发光效率、太阳电池的能量转换效率以及非易失性存储器的存储性能，因此对这一性质进行定量表征就具有重要的研究意义。目前，对于半导体量子点材料中载流子浓度的表征手段主要有变温电导率测量、霍尔效应测试等方法，但是这些方法存在一些不足：第一，这些测量方法只能在宏观尺度下对量子点材料进行表征，所得结果给出的是大量量子点的统计平均性质；第二，这些方法测量时依赖于电极接触，如霍尔效应测试中的范德堡电极、四探针测量电导率中的四探针接触，这些电极与量子点材料的接触可能形成肖特基势垒，导致较大测量偏差。因此，如何在微观尺度下定量探测半导体量子点材料的载流子浓度分布，仍是一个尚待解决的技术问题。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术的不足，提供一种利用原子力显微镜和开尔文探针力显微镜探测半导体量子点中的载流子信号，并利用维纳滤波和静电场分析定量得出载流子浓度分布的数字信号处理和分析方法。
技术方案：本发明提供的定量探测半导体量子点载流子浓度分布的方法，包括如下步骤：
(1)利用原子力显微镜探测半导体量子点的表面形貌和尺寸，同时利用开尔文探针力显微镜探测单个量子点的接触功函数差信息；
(2)根据开尔文探针力显微镜图像的KFM信号与试样表面电势间的卷积关系，利用维纳滤波法从接触功函数差图像中提取出量子点的表面电势分布；
(3)根据静电场泊松方程，从量子点表面电势分布中定量提取出载流子浓度的分布信息。
优选地，为防止在衬底一侧形成空间电荷区，所述步骤(1)中的半导体量子点材料的基底为金属或重掺杂(p+或n+型)硅片。
进一步地，所述步骤(2)中KFM信号与量子点表面电势间的卷积关系为：
其中，VKFM为开尔文探针力显微镜的探测信号，Vsub为探针与衬底功函数差，VS(x，y)为表面电势信号，Cts′为探针样品的电容在垂直于样品方向的一次导数，C′(x，y)为探针与试样表面(x，y)位置处的电容密度的一次导数。即有，Cts′＝∫∫C′(x，y)dxdy，当探针与试样间距保持恒定时，Cts′为常数。
进一步地，试样表面电势可利用维纳滤波器从KFM信号中提取出来：
其中，(u，v)为与(x，y)对应的频域坐标，NSR为噪声信号比，上标星号表示取复共轭。VS(u，v)的傅里叶逆变换即为VS(x，y)。
进一步地，所述步骤(3)中量子点中载流子浓度分布与表面电势的关系可由静电场泊松方程描述：
其中，n为载流子浓度，εr为半导体量子点相对介电常数，ε0为真空介电常数；q为单位电荷量，是个常量；h为由步骤(1)测得的量子点高度分布，VS为步骤2获得的表面电势分布。
发明原理：原子力显微镜(AFM)及其电学扩展模式如开尔文探针力显微镜(KFM)、静电力显微镜(EFM)、导电原子力显微镜(C-AFM)已被广泛应用于各种金属、半导体、电介质、生物高分子材料的电学性质表征之中，其中开尔文探针力显微镜探测试样表面与探针间的接触功函数差(CPD)，其在探测时探针与试样表面保持约数十纳米的间距，因此具有无电极接触、无损伤探测、微区探测等优点。本发明即基于原子力显微镜和开尔文探针力显微镜，提出一种探测单个半导体量子点中载流子浓度分布的新方法，该方法的原理是在对量子点试样进行表面形貌的AFM扫描和接触功函数差的KFM扫描后，通过静电场分析和数字信号处理获得量子点内部的载流子浓度分布信息。
有益效果：
(1)本发明提出的利用原子力/开尔文探针力显微镜***对半导体量子点进行探测，并从表面形貌和表面电势信号中提取出量子点载流子浓度分布；
(2)与常规电阻率测量、霍尔效应测试相比，本发明为非接触式探测，无需电极，能够排除电极接触的影响；
(3)由于探针曲率半径在20纳米左右，因此，能够直接对单个半导体量子点进行探测，而常规探测手段只能给出大量量子点的统计平均值；
(4)本方法适用于孤立半导体量子点的探测，能够给出载流子在量子点内部的分布情况，有望应用于高精度量子点材料的检测中；
(5)本发明适用于各种具有不同介电常数的半导体量子点材料，具有一定的普遍性。
附图说明
图1是本发明的方法原理与步骤示意图；
图2是本发明利用原子力显微镜测得半导体量子点试样的形貌高度图；
图3是本发明利用开尔文探针力显微镜测得量子点的接触功函数差图像；
图4是本发明利用反卷积处理获得的量子点表面电势图像；
图5是本发明利用静电场分析获得的量子点内部载流子浓度的分布图像。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明提出的一种定量探测半导体量子点载流子浓度的方法，该方法的原理是在对量子点试样进行表面形貌的AFM扫描和接触功函数差的KFM扫描后，通过静电场分析和数字信号处理获得量子点内部的载流子浓度分布信息。
该方法具体包括以下步骤：
步骤(1)，利用原子力显微镜(AFM)探测半导体量子点的表面形貌(h)，同时利用开尔文探针力显微镜(KFM)探测单个量子点的接触功函数差信息(VKFM)。
在20℃和40％湿度的环境下，使用多模式原子力显微镜成像***进行测试，可以采用德国布鲁克公司的型号为Nanoscope3D的多模式原子力显微镜成像***，扫描速率为1Hz，扫描范围为0.5微米见方的区域。测试所用探针型号为该公司SCM-PIT，探针曲率半径为20纳米，测试试样为P+型硅衬底上的单个纳米硅量子点。探测时，扫描探针成像***采用两步法交错式扫描：第一步，在AFM轻敲模式下扫描量子点表面形貌线；第二步，探针抬起高度15纳米，转换为KFM模式扫描量子点接触功函数差。本发明测得量子点试样的AFM表面形貌图像如图2所示，测得试样的KFM接触功函数差图像如图3所示。由图3可知，试样的KFM背景信号Vsub约为0.135V。
步骤(2)，根据开尔文探针力显微镜图像与试样表面电势间的卷积关系，利用维纳滤波从KFM图像(VKFM)中提取出量子点表面电势分布(VS)。
根据静电场分析可知，KFM信号是试样表面电势信号的加权平均值，权重因子为归一化的电容一次导数，即：
其中，VKFM为KFM探测信号，Vsub为探针与衬底功函数差(根据步骤(1)，本试样Vsub＝0.135V)，VS(x，y)为待求表面电势信号，Cts′为探针样品的电容在z方向的一次导数，C′(x，y)为探针与试样表面(x，y)位置处的电容密度的一次导数。电容密度导数C′(x，y)可由弧形电场线拟合求得：
其中，ε0为真空介电常数，l(x，y)为同时垂直于试样表面(x，y)点与探针表面的圆弧线的长度。归一化常数为上式对试样表面的面积分：
Cts′＝∫∫C′(x，y)dxdy
当探针与试样间距保持恒定时，Cts′为常数。试样表面电势可从KFM信号中通过反卷积求得，为抑制反卷积过程中噪声信号的放大，可采用维纳滤波方法在频域进行数字信号处理：
其中，(u，v)为与(x，y)对应的频域坐标，NSR为噪声信号比，上标星号表示取复共轭。将VS(u，v)进行傅里叶逆变换即可求得试样表面电势在真实空间的分布VS(x，y)。经计算，本试样表面电势图像如图4所示。
步骤(3)，根据静电场泊松方程，从量子点表面电势分布信息中定量提取出载流子浓度的分布信息。
根据静电场泊松方程，量子点表面电势与载流子浓度的关系如下：
其中，n为载流子浓度，εr为半导体量子点相对介电常数，ε0为真空介电常数，h为步骤(1)中测得的量子点高度分布，VS为步骤(2)中得出的试样表面电势分布。结合图2和图4结果，计算得到半导体量子点中载流子浓度分布(截面)图如图5所示，可见载流子浓度呈现中间低、两侧高的U型分布，表明半导体量子点势阱中存在多个载流子的库仑排斥作用，符合量子力学的基本原理。
综上，本发明利用原子力显微镜/开尔文探针力显微镜***对半导体量子点进行了形貌探测和接触功函数差探测，利用静电场分析和数字信号处理方法定量获取了量子点内部的载流子浓度分布信息。该方法不需要电极接触，且能够对单个量子点进行观测，也适用于其他具有不同介电常数的半导体量子点材料的探测。

Claims (5)

1.一种定量探测半导体量子点载流子浓度分布的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)利用原子力显微镜探测半导体量子点的表面形貌和尺寸，同时利用开尔文探针力显微镜探测单个量子点的接触功函数差信息；
(2)根据开尔文探针力显微镜图像的KFM信号与试样表面电势间的卷积关系，利用维纳滤波法从接触功函数差图像中提取出量子点的表面电势分布；
(3)根据静电场泊松方程，从量子点表面电势分布中定量提取出载流子浓度的分布信息。
2.根据权利要求1所述的定量探测半导体量子点载流子浓度分布的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的半导体量子点材料的基底为金属或重掺杂硅片。
3.根据权利要求1所述的定量探测半导体量子点载流子浓度分布的方法，其特征在于：所述步骤(2)中KFM信号与量子点表面电势间的卷积关系为：其中，VKFM为开尔文探针力显微镜的探测信号，Vsub为探针与衬底功函数差，VS(x，y)为表面电势信号，Cts′为探针样品的电容在垂直于样品方向的一次导数，C′(x，y)为探针与试样表面(x，y)位置处的电容密度的一次导数。
4.根据权利要求1所述的定量探测半导体量子点载流子浓度分布的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，试样表面电势可采用如下公式，利用维纳滤波器从KFM信号中提取出来；所述公式为其中，(u，v)为与(x，y)对应的频域坐标，NSR为噪声信号比，上标星号表示取复共轭；VS(u，v)的傅里叶逆变换即为VS(x，y)。
5.根据权利要求1所述的定量探测半导体量子点载流子浓度分布的方法，其特征在于：所述步骤(3)中量子点中载流子浓度分布与表面电势的关系可由静电场泊松方程表示为：其中，n为载流子浓度，εr为半导体量子点相对介电常数，ε0为真空介电常数，q为单位电荷量，h为由步骤(1)测得的量子点高度分布，VS为步骤(2)获得的表面电势分布。
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