[发明专利]半导体纳米线少数载流子寿命的检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及低维结构半导体材料的检测，具体是指一种半导体纳米线少数载流子寿命的新型测量方法。

背景技术

半导体纳米线因其独特的结构和光电特性，在光电探测和太阳能收集领域获得了广泛的关注。少数载流子寿命(以下简称少子寿命)是决定器件光电性能的主要因素。纳米线由于具有很高的表面-体积比，使得表面散射对其少子寿命的影响显著，这与体材料具有很大的差异。因此对单根纳米线寿命的提取，对于其材料特性优化及器件的性能提升和应用有十分积极的意义。

而到目前为止，发展的对于半导体纳米线等低维结构载流子、激子寿命的表征手段则主要包括太赫兹时间分辨光谱和时间分辨光致发光谱。上述这些测量方法首先，考察的是半导体的瞬态光生载流子延迟响应；其次，对单根纳米线少子寿命的测量，往往需要在低温下进行，且对实验设备和测量条件的要求很高；再者，光注入的非平衡载流子浓度可以达到10¹⁷cm^-3，已经有证据显示纳米线中的电学结构会因此改变，导致少子寿命与光强相关，因而不能代表纳米线在光电应用中的状态。为此在接近准平衡态、低光激发功率密度等光电器件工作条件下的少子寿命提取具有十分重要的意义。

本发明基于对单根纳米线的光电流测量，并与数值模拟结合提取单根纳米线的少子寿命。

发明内容

本发明是针对现有分析技术的不足，提供一种适用于半导体纳米线的光电子学检测方法。对分子束外延生长或者刻蚀得到的竖直纳米线阵列即可进行表征，纳米线需要有掺杂衬底或者掺杂缓冲层。本方法在获取单根半导体纳米线定量光激发电流的同时，可以提取到其中的少子寿命。本发明的依据是肖特基电极反偏下，半导体纳米线的光电流随偏压的增长趋势取决于肖特基势垒宽度和少子扩散长度的相对大小。其中肖特基势垒的宽度由纳米线本身的掺杂、电极特性等决定，对偏压有固定的依赖关系；而少子扩散长度则由少子寿命决定，其变化会直接反映到纳米线的光电响应当中。因此通过建立基于纳米线实际能带结构、掺杂、尺寸、电极等特性的数值模型，定量拟合实验上表征到的光电流曲线，可以获取单根纳米线的少子寿命。

本方法首先是纳米线样品的制备和单根纳米线光电流的测量。采用机械旋涂的方法，在纳米线样品上均匀得旋涂一层聚合物。然后对样品进行烘焙固化，最终通过抛光减薄的方法使得纳米线的顶端裸露出来，以达到测量的要求。对纳米线的光电流测量一方面选取稳定的外接光源来激发纳米线，要求功率可调且光子能量要大于纳米线的禁带宽度；另一方面对单根纳米线的电学测量则依靠导电原子力显微镜。在对纳米线样品上表面的扫描过程中，借助于半导体与周围聚合物的导电性差异来定位单根纳米线，进而完成电流特性的测量。

其次建立基于实验配置(纳米线能带结构、掺杂、尺寸及考虑测量中导电针尖与半导体纳米线形成的肖特基接触)的数值模型，定量拟合光电流实验曲线。建模采用商用化软件，纳米线实验上的暗电流水平可以帮助确定针尖-纳米线肖特基电极的势垒高度。单根半导体纳米线的载流子寿命可以通过定量拟合光生电流获取，在这个过程中，仅将光激发功率和少子寿命设置为两个可调的参数。其中光激发功率决定了光电流的量级，而少子寿命则是定量拟合的关键参数，因为它主导了肖特基反偏下光电流随偏压的增长趋势。

本发明的优势首先体现在通过简单的样品制备就可以方便得获取单根纳米线的定量光响应，并提取少子寿命，为不同样品之间甚至同一样品中个体之间的差异提供评估依据。其次，该方法激发纳米线的功率密度较低，光生载流子的浓度低于10¹⁴cm^-3，与时间分辨光谱方法相比要低3个量级，所以不会改变纳米线的电学状态。与此同时光生载流子的产生和复合接近平衡态。这些都接近光电器件工作时的条件，因而提取到的参数对于纳米线在光电探测和太阳能收集方面的研究和应用具有重要参考价值。

附图说明

图1为本发明实施例中样品经包裹、抛光处理之后的截面SEM图片。

图2为本发明对单根纳米线的光电流测量示意图，图中左半部分为对应的能带示意图。

图3为本发明实施例中单根GaAs纳米线不同光激发功率下的IV曲线。

图4为本发明实施例中对单根GaAs纳米线的少子寿命拟合。

具体实施方式

下面以GaAs纳米线为实施例，结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。