一种探测纳米结构表面俘获态密度的方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种探测纳米结构表面俘获态密度的方法 及装置。
【背景技术】
[0002] 表面俘获态在纳米器件的光电特性中扮演着举足轻重的角色。理解表面俘获态将 使我们能够制造出更佳性能的器件表面，但是使用传统的电容式技术手段来描绘纳米尺度 材料的表面俘获态特性已经成为一个艰巨挑战。
[0003] 高灵敏度的光线探测器在许多场合得到应用，例如光学互联和夜视。近些年来，在 表面俘获态研宄的诱导下，平面黑硅和其他纳米结构的光敏电阻已经展现了非凡的高光导 增益（和常规PN结二极管相比高达8个数量级）。然而，伴随高增益而来的长反应时间常 常威胁到这些光敏电阻的应用前景。在一种可控的方式下制造这些器件的表面也许可以开 发出既高增益又短反应时间的光线探测器。由于无处不在的寄生电容，使用基于金属-绝 缘体-半导体（MIS)(如图1)电容和深能级瞬态谱仪（DLTS)的传统的电容式技术手段来 描绘纳米尺度材料的表面俘获态特性已经成为一个艰巨挑战。
[0004] 因此，本领域的技术人员致力于开发一种简单却有效的探测纳米结构表面俘获态 密度的方法及装置。
【发明内容】
[0005] 有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何来描绘纳米尺度 材料的表面俘获态特性。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种探测纳米结构表面俘获态密度的方法，包 括：
[0007] 提供掺杂的纳米结构；
[0008] 通过周期性脉冲单色光束照射所述纳米结构；
[0009] 通过锁定放大器拾取所述纳米结构的光致电导；
[0010] 通过所述光致电导计算光致载流子的浓度变化量；
[0011] 通过所述浓度变化量和单位载流子的浓度比较得到所述纳米结构的表面俘获态 的密度。
[0012] 进一步地，所述纳米结构的样品制备过程包括：
[0013] 将所述纳米结构放入有机溶剂经过超声清洗，制作成悬浊液；
[0014] 在预先做好对准记号的石英衬底上滴上所述悬浊液；
[0015] 由光刻和金属化工艺制作的多个微电极为每一单元所述纳米结构的提供欧姆接 触。
[0016] 进一步地，所述纳米结构为纳米带、纳米线、纳米棒、纳米针或纳米管中的一种，优 选为娃基纳米线；
[0017] 进一步地，所述硅基纳米线由金催化气液固三相工艺，混合氢气平衡的硅烷和硼 烷合成。
[0018] 进一步地，所述掺杂为P型。
[0019] 进一步地，所述有机溶剂为异丙醇。
[0020] 进一步地，所述微电极以200nm厚的钯以及3nm厚的铬作为附着层。
[0021] 进一步地，所述单色光束的波长为500nm。
[0022] 进一步地，所述周期性脉冲单色光束是由斩断器周期性斩断连续的单色光束得 到。
[0023] 进一步地，所述周期性脉冲的频率范围为200Hz到2000Hz。
[0024] 本发明还提供了一种探测纳米结构表面俘获态密度的装置，包括被测样品、周期 性脉冲单色光束和锁定放大器，所述被测样品包括沉积在石英衬底上的掺杂的纳米结构单 元和四个与所述纳米结构单元有欧姆接触的微电极，所述四个微电极中相距最远的两个电 极分别为第一电极和第二电极，另两个分别是第三电极和第四电极；所述周期性脉冲单色 光束照射在所述被测样品上，所述电压源的一端连接所述第一电极，另一端连接所述锁定 放大器，所述锁定放大器一端连接所述电压源，另一端连接所述第二电极，所述电压表一端 连接所述第三电极，另一端连接所述第四电极；所述锁定放大器与所述周期性脉冲单色光 束在频率上同步。
[0025] 进一步地，所述纳米结构为纳米带、纳米线、纳米棒、纳米针或纳米管中的一种，优 选为娃基纳米线；
[0026] 进一步地，所述硅基纳米线由金催化气液固三相工艺，混合氢气平衡的硅烷和硼 烷合成。
[0027] 进一步地，所述周期性脉冲单色光束是由斩断器周期性斩断连续的单色光束得 到。
[0028] 进一步地，所述掺杂为P型。
[0029] 进一步地，所述微电极以200nm厚的钯以及3nm厚的铬作为附着层。
[0030] 进一步地，所述单色光束的波长为500nm。
[0031] 进一步地，所述斩断器是提供将所述单色光束从连续调制为所述周期性通断的装 置。
[0032] 进一步地，所述周期性通断的频率范围为200Hz到2000Hz。
[0033] 在本发明的较佳实施方式中，本发明所述方法通过测量硅基纳米线光敏电阻的光 导来探测表面俘获态的密度。纳米线器件（其他纳米结构的器件也类似）的光导增益来自 于表面俘获态所捕获的光致载流子以及载流子的捕获所带来的表面栅极效应。
[0034] 硅基纳米线的合成是通过传统的金催化气液固三相工艺，混合氢气平衡的硅烷和 硼烷。为了给单根的纳米线做接触点（Contact)，第一步用原生的纳米线样品放入异丙醇， 经过超声波震荡和适当的清洗，制作成纳米线悬池液；第二步，在石英衬底上滴一滴纳米线 悬浊液，石英衬底上有预先做好的对准记号。这些对准记号有助于在光学显微镜下定位每 一根纳米线。由光刻和金属化工艺制作的多个微电极（200nm钮Pd以及3nm的络Cr作为 附着层）为每一根纳米线提供了欧姆接触。连接引线以后，放置直流偏置的纳米线器件在 单色光（波长约500nm)束的照射下，并通过斩断器将单色光束调制成为周期性开通关断的 状态。纳米线器件上的光强是很难精确估计的。一个Labview脚本被用来使斩断频率从 200Hz到2kHz，AC光导由一个锁定放大器拾取，并使用四探针法去除接触电阻。
[0035] 本发明通过调整硅基纳米线光敏电阻的能带隙的准费米能级，使得表面俘获态能 够捕获和释放光照产生的电荷载流子。本发明实验数据表明，纳米线表面俘获态的能量密 度在一个范围10 9CnT2/eV靠近深能级，1012CnT2/eV靠近导带的边缘。本发明所述方法能方 便地高精度地描述超大规模纳米/量子器件的表面俘获态能量密度，为制造高性能的纳米 结构的光检测器的器件表面提供思路和有益方法。
[0036] 以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以 充分地了解本发明的目的、特征和效果。
【附图说明】
[0037] 图1是本发明的一个较佳实施例的测量原理示意图；
[0038] 图2是未光照前P型纳米线的能带图；
[0039] 图3是光照P型纳米线测量装置示意图；
[0040]图4是光照以后的P型纳米线的能带图；
[0041]图5是本发明的一个较佳实施例的装置示意图；
[0042] 图6是电导随时间周期变化曲线图；
[0043] 图7是AC光导〇随斩断频率变化曲线图；
[0044] 图8是在不同的光强下AC光导随斩断频率变化曲线图；
[0045] 图9是〇ph随光强变化曲线图；
[0046] 图10是〇T随光强变化曲线图；
[0047]图11是电子数量nit随能带变化量变化曲线图；；