[发明专利]一种对低维半导体载流子漂移过程直接成像的方法

说明书

本发明提供了一种对低维半导体载流子漂移过程直接成像的方法。该方法包括，利用载流子传输层实现载流子的空间分离，使样品内只存在单一种类的载流子(电子或空穴)；通过平行板电容施加空间上均匀分布的外部电场；使用瞬态吸收显微系统对不同时间延迟下的载流子分布情况进行直接成像；通过高斯曲线拟合得到载流子的平均漂移距离，进一步结合场强大小与时间延迟拟合计算电子(或空穴)的迁移率。本发明克服了传统方法无法对低维半导体材料迁移率进行精确测量的局限性，并且提出了对单一种类载流子迁移率测量的方法，为揭示材料的光物理过程、探究对材料迁移率的影响因素提供实验测量方法。

技术领域

本发明涉及在电场作用下对载流子漂移过程的高时空分辨率直接成像方法，特别涉及对低维半导体材料单一种类载流子(电子或空穴)漂移过程直接成像的方法。属于超快检测领域。

背景技术

半导体材料的载流子(电子、空穴)迁移率是衡量半导体光电性能的重要参数，直接决定了以半导体为基础的光电转换器件的性能。传统的测量方法是测量材料的电学参数，通过对测得电学参数的拟合得到对应载流子的迁移率，例如使用霍尔效应法，渡越时间法等。此类方法不仅对测试样品的性质有特定的需求，如样品几何特征和大小，样品与电极功函数的差值等因素，而且是一种间接测量方式，通过电信号变化表征载流子漂移过程的平均效应，无法对载流子漂移过程进行直接成像观测。

随着低维半导体材料以及微纳器件的发展，对此类材料载流子迁移率、扩散常数的精确测量，对于光子-材料相互作用的物理机制的揭示以及电子元器件的应用尤为重要。但是对于低维材料来说，其几何尺寸会在一个或多个维度上趋于纳米级或原子级大小，无法满足传统测量方法中对于待测样品几何大小的需求；同时，利用金属电极为材料施加外部电压时，金属电极与半导体材料界面形成肖特基势垒，很难在一定的电压范围内使电极与材料保持欧姆接触，因而无法得到理想的电压-电流测试曲线，进而影响对迁移率的拟合结果。在使用不同的测试方法对同一种材料进行测量时，由于测试原理的不同，测试结果会出现1-2个量级上的差距。

低维材料由于其在一个或多个维度上的尺寸与波尔半径相当，因此材料会体现出较强的量子限域效应。光生载流子一般以激子的形式存在，自由电子和自由空穴的密度低且难以准确计算，进而影响对迁移率的测量与拟合计算；另外，低维材料还会受到原子空位，掺杂等因素的影响，或由于电子与空穴的有效质量不同，可能会出现电子与空穴的迁移率差距较大的情况，而现有技术无法对电子或空穴其中的一种进行单独测量，无法精确的获取单一种类载流子(电子或空穴)的迁移率，进而限制了对材料光电性质的研究及应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统通过电信号测量的方法进行间接测量带来的系统测试误差以及无法分别对电子空穴迁移率进行测量的问题，提供一种对低维半导体载流子漂移过程直接成像的方法；本发明基于瞬态吸收光谱测试系统，结合二型半导体异质结的结构，促进电子与空穴的在空间上的分离，实现对单一种类载流子(电子或空穴)漂移过程的直接成像，进一步拟合得到单一种类载流子的迁移率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

样品制备方面，通过二型半导体范德华异质结制备实现电子与空穴在空间上进行分离，以达到被测样品中只存在单一种类的载流子(电子或空穴中的一种)的目的。即当待测载流子类型为电子(空穴)时，样品搭配空穴(电子)传输层构建范德华异质结。对于两种材料的能带结构，要求空穴(电子)传输层的导带底高于(低于)待测样品的导带底；空穴(电子)传输层的价带顶低于(高于)待测样品的导带顶。

电子或空穴传输层应使用载流子迁移率较高，且层间迁移速率快的样品，并且保证传输层材料本身为二维材料，以防止表面悬挂键、晶格失配等问题影响材料的本征性质，以影响探测。

在空间上通过平行金属板来施加空间电场，通过施加电压大小改变空间电场的场强大小，同时保证样品放置于平行板的中央，以忽略边缘效应。