[發明專利]一種對低維半導體載流子漂移過程直接成像的方法

有效

• 申請號: 202110620363.5
• 申請日: 2021-06-03
• 公開（公告）號: CN113358607B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 姜瀾;高國權;朱彤;楊飛;鄧昱銘
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01N21/63
• 分類號: G01N21/63;G01R31/26
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

本發明提供了一種對低維半導體載流子漂移過程直接成像的方法。該方法包括，利用載流子傳輸層實現載流子的空間分離，使樣品內只存在單一種類的載流子(電子或空穴)；通過平行板電容施加空間上均勻分布的外部電場；使用瞬態吸收顯微系統對不同時間延遲下的載流子分布情況進行直接成像；通過高斯曲線擬合得到載流子的平均漂移距離，進一步結合場強大小與時間延遲擬合計算電子(或空穴)的遷移率。本發明克服了傳統方法無法對低維半導體材料遷移率進行精確測量的局限性，并且提出了對單一種類載流子遷移率測量的方法，為揭示材料的光物理過程、探究對材料遷移率的影響因素提供實驗測量方法。

技術領域

本發明涉及在電場作用下對載流子漂移過程的高時空分辨率直接成像方法，特別涉及對低維半導體材料單一種類載流子(電子或空穴)漂移過程直接成像的方法。屬于超快檢測領域。

背景技術

半導體材料的載流子(電子、空穴)遷移率是衡量半導體光電性能的重要參數，直接決定了以半導體為基礎的光電轉換器件的性能。傳統的測量方法是測量材料的電學參數，通過對測得電學參數的擬合得到對應載流子的遷移率，例如使用霍爾效應法，渡越時間法等。此類方法不僅對測試樣品的性質有特定的需求，如樣品幾何特征和大小，樣品與電極功函數的差值等因素，而且是一種間接測量方式，通過電信號變化表征載流子漂移過程的平均效應，無法對載流子漂移過程進行直接成像觀測。

隨著低維半導體材料以及微納器件的發展，對此類材料載流子遷移率、擴散常數的精確測量，對于光子-材料相互作用的物理機制的揭示以及電子元器件的應用尤為重要。但是對于低維材料來說，其幾何尺寸會在一個或多個維度上趨于納米級或原子級大小，無法滿足傳統測量方法中對于待測樣品幾何大小的需求；同時，利用金屬電極為材料施加外部電壓時，金屬電極與半導體材料界面形成肖特基勢壘，很難在一定的電壓范圍內使電極與材料保持歐姆接觸，因而無法得到理想的電壓-電流測試曲線，進而影響對遷移率的擬合結果。在使用不同的測試方法對同一種材料進行測量時，由于測試原理的不同，測試結果會出現1-2個量級上的差距。

低維材料由于其在一個或多個維度上的尺寸與波爾半徑相當，因此材料會體現出較強的量子限域效應。光生載流子一般以激子的形式存在，自由電子和自由空穴的密度低且難以準確計算，進而影響對遷移率的測量與擬合計算；另外，低維材料還會受到原子空位，摻雜等因素的影響，或由于電子與空穴的有效質量不同，可能會出現電子與空穴的遷移率差距較大的情況，而現有技術無法對電子或空穴其中的一種進行單獨測量，無法精確的獲取單一種類載流子(電子或空穴)的遷移率，進而限制了對材料光電性質的研究及應用。

發明內容

本發明的目的是為了解決傳統通過電信號測量的方法進行間接測量帶來的系統測試誤差以及無法分別對電子空穴遷移率進行測量的問題，提供一種對低維半導體載流子漂移過程直接成像的方法；本發明基于瞬態吸收光譜測試系統，結合二型半導體異質結的結構，促進電子與空穴的在空間上的分離，實現對單一種類載流子(電子或空穴)漂移過程的直接成像，進一步擬合得到單一種類載流子的遷移率。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

樣品制備方面，通過二型半導體范德華異質結制備實現電子與空穴在空間上進行分離，以達到被測樣品中只存在單一種類的載流子(電子或空穴中的一種)的目的。即當待測載流子類型為電子(空穴)時，樣品搭配空穴(電子)傳輸層構建范德華異質結。對于兩種材料的能帶結構，要求空穴(電子)傳輸層的導帶底高于(低于)待測樣品的導帶底；空穴(電子)傳輸層的價帶頂低于(高于)待測樣品的導帶頂。

電子或空穴傳輸層應使用載流子遷移率較高，且層間遷移速率快的樣品，并且保證傳輸層材料本身為二維材料，以防止表面懸掛鍵、晶格失配等問題影響材料的本征性質，以影響探測。

在空間上通過平行金屬板來施加空間電場，通過施加電壓大小改變空間電場的場強大小，同時保證樣品放置于平行板的中央，以忽略邊緣效應。