[發明專利]載流子濃度的測量方法及系統

有效

• 申請號: 201811421201.3
• 申請日: 2018-11-26
• 公開（公告）號: CN109540858B
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 李登峰;孫方穩;陳向東;李燊
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 任巖

本發明公開了一種載流子濃度的測量方法及系統，其中，該測量方法包括：放置含有NV色心的金剛石與待測樣品；測量金剛石中NV色心的自發輻射速率；以及基于金剛石中NV色心的自發輻射速率，并根據金剛石中NV色心自發輻射速率與載流子濃度的標定關系曲線得到待測樣品的載流子濃度。本公開的載流子濃度的測量方法在測量的過程中可以實現非侵入性實時測量，不破壞待測樣品的電學性能，因此在測量過程中不影響載流子的濃度和空間分布。

技術領域

本公開屬于材料測試技術領域，涉及一種載流子濃度的測量方法及系統，特別涉及一種基于金剛石NV色心自發輻射速率實現載流子濃度測量的方法和系統。

背景技術

載流子指可以自由移動的帶有電荷的物質微粒。在半導體物理學中，電子流失導致共價鍵上留下的空位(或空穴)被視為一種載流子，電子也是一種載流子；在金屬中，自由電子作為載流子；在電解液中，正、負離子作為載流子。

載流子對材料的性質有重要的影響，其中，載流子濃度的變化會導致材料電導率的變化，影響材料的電學性質。在材料物理中，載流子隨空間的分布可以使材料展現出拓撲特性。對二維材料載流子濃度的控制可改變其勢壘，用于開發新一代光電器件。載流子濃度的變化會導致材料折射率的變化，影響其光學性質。在半導體器件中，在半導體中，載流子濃度的高低決定元件的功能是整流器或開關。基于少數載流子的器件，比如晶閘管(硅控整流器)和雙極結型晶體管，其中有很強的工作電流，載流子濃度的變化會影響其穩定性和安全性。因此對載流子濃度的測量是一個很重要的方向。

目前已有一些測量載流子濃度的方法，比如利用肖特基二極管測量流過的電流強度得到載流子的濃度，或者利用原子力顯微鏡(AFM)的多重電子模式測量局域的載流子分布，或者利用普通霍爾效應或者反常霍爾效應測量載流子的濃度，以及利用光霍爾效應測量光致載流子濃度變化。然而，這些方法都需要測量元件與被測樣品歐姆接觸，會對載流子的濃度和空間分布有所改變。

因此，有必要提出一種無損的載流子濃度的測量方法，在測量過程中不影響載流子的濃度和空間分布。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本公開提供了一種載流子濃度的測量方法及系統，以至少部分解決以上所提出的技術問題。

(二)技術方案

根據本公開的一個方面，提供了一種載流子濃度的測量方法，包括：放置含有NV色心的金剛石與待測樣品；測量金剛石中NV色心的自發輻射速率；以及基于金剛石中NV色心的自發輻射速率，并根據金剛石中NV色心自發輻射速率與載流子濃度的標定關系曲線得到待測樣品的載流子濃度。

在本公開的一些實施例中，金剛石中NV色心自發輻射速率與載流子濃度的標定關系曲線的獲得方法如下：利用標定樣品和金剛石中NV色心進行多次測量，得到金剛石NV色心自發輻射速率與載流子濃度的關系曲線，并進行曲線擬合，從而得到金剛石中NV色心自發輻射速率與載流子濃度的標定關系曲線。

在本公開的一些實施例中，曲線擬合為線性擬合或者最小二乘擬合。

在本公開的一些實施例中，標定關系曲線采用載流子可控的樣品進行標定，該載流子可控的樣品為ITO/Al₂O₃/Au異質結結構。

在本公開的一些實施例中，測量金剛石中NV色心的自發輻射速率利用NV色心自發輻射速率測量系統進行測量，該NV色心自發輻射速率測量系統，包括：自發輻射熒光探測系統、時間幅度轉換器、第二脈沖激光器、多通道分析儀和計算機；其中，自發輻射熒光探測系統，用于實現NV色心的熒光探測；時間幅度轉換器，與自發輻射熒光探測系統和第二脈沖激光器均相連，在第二脈沖激光器和自發輻射熒光探測系統發出的控制信號下分別實現記錄時間的開始與停止，并將記錄到的時間間隔轉換為幅度信息；多通道分析儀，與時間幅度轉換器相連，將得到的幅度信息進行統計分析；以及計算機，實現數據的處理與存儲。