[发明专利]纳米厚度半导体薄膜异质结层间电荷转移的光学探测方法

说明书

本发明属于飞秒激光光谱学技术领域，涉及一种纳米厚度半导体薄膜异质结层间电荷转移的光学探测方法，包括：基频脉冲光入射到半导体薄膜异质结样品；激发半导体薄膜异质结，产生层间空间电场；层间空间电场诱导产生场致二次谐波；探测半导体薄膜异质结的场致二次谐波，实现了飞秒‑纳秒时间尺度内载流子输运过程的探测。具有及时响应的特性和极高的时间分辨率，同时不需要镀电极，且具有非接触的特点，保留了材料自身的固有性质，并实现纳米级的空间分辨率和可定位的特性。首次实现了利用光信号去探测电信号，同时具有极高的时间分辨率和空间分辨率。

技术领域

本发明属于飞秒激光光谱学技术领域，涉及非线性响应的飞秒激光光谱学技术以及纳米级厚度的半导体薄膜异质结，具体涉及一种纳米厚度半导体薄膜异质结层间电荷转移的光学探测方法。

背景技术

目前，以台积电为代表的晶圆代工厂商已经将半导体集成电路带到了5nm的时代，纳米级厚度的半导体薄膜异质结已经作为结构单元，广泛地出现在半导体基础器件当中。为了突破现有半导体基础器件的尺寸极限，新型二维材料(尤其是过渡金属二硫化物)的研究被视为新的突破点。

同时，由于半导体器件尺寸已经小于载流子的平均自由程，对于纳米级别的异质结器件来说，意味着载流子甚至可以不用发生碰撞就穿透基础的纳米器件(比如，芯片中的重要组成：场效应晶体管)。从这个角度来说，纳米尺度的异质结层间电荷转移的研究，对探测方法的时间分辨率和及时响应提出了很高的要求。

现阶段关于异质结层间电荷转移的研究，都是建立在对载流子密度进行探测的基础之上。通常的电学测量方法需要测量电极之间的I-V特性曲线，来得到有限时间分辨率下的宏观物理量。同时因为电极的接触，也使得材料本身的性质发生改变。超快激光泵浦探测技术虽然具有很高的时间分辨率，但同样需要对比异质结与单层样品的差分反射(透射)信号，来判断异质结是否发生了层间电荷转移。

本专利意在提供一种具有飞秒-纳秒时间分辨率的、及时响应的半导体薄膜异质结层间电荷转移的全光学探测方法。

发明内容

基于背景技术提出的技术问题，本发明提供一种纳米厚度的半导体薄膜异质结层间电荷转移的全光学探测方法，具体技术方案如下：

一种纳米厚度半导体薄膜异质结层间电荷转移的光学探测方法，包括以下步骤：

步骤一，通过基频脉冲光入射到半导体薄膜异质结样品的表面，半导体薄膜异质结样品产生二次谐波信号；

利用稳态光谱仪接收所述二次谐波信号，信号的强度为d；

步骤二，利用激光光源发出飞秒泵浦脉冲激光，所述飞秒泵浦脉冲激光激发半导体薄膜异质结样品，半导体薄膜异质结样品产生层间空间电场(简称电场)，所述层间空间电场诱导产生额外的二次谐波(又称为：场致二次谐波)信号；

利用稳态光谱仪接收所述二次谐波与额外的二次谐波混合的信号，信号的强度为c；

步骤三，计算c与d的差值，

所述差值为半导体薄膜异质结样品的层间空间电场诱导产生的额外的二次谐波信号的强度。

在上述技术方案的基础上，所述半导体薄膜异质结样品为：Ⅱ型异质结样品；

步骤一的具体步骤如下：

将一束基频脉冲光(又称基频光(ω))斜入射到Ⅱ型异质结样品的表面；

所述基频脉冲光的光子能量低于Ⅱ型异质结样品的两种材料的光学带隙，此时，Ⅱ型异质结样品对基频脉冲光的线性吸收是最小的。

在上述技术方案的基础上，步骤二的具体步骤如下：

为了探测Ⅱ型异质结样品产生的层间空间电场，利用激光光源发出一束具有足够能量的飞秒泵浦脉冲激光(简称泵浦光)，垂直入射至Ⅱ型异质结样品的表面；