蘇州納米所測試分析平臺在納米尺度載流子輸運性質表征技術和儀器研制上取得新進展
圖1 Journal of Applied Physics封面論文
傳統(tǒng)的測試載流子動力學的手段，包括時間分辨光致熒光（TRPL)，表面光電壓譜（SPV）和光誘導瞬態(tài)光柵光譜（LITG）能分別測量載流子壽命、擴散長度和擴散系數等材料特性，但是分辨率通常在微米以上，且無法與納米尺度結構特征原位對應。近年來，Mounir Mensi等提出一種基于掃描近場光學顯微鏡（SNOM）的掃描擴散顯微術方法（ACS Photonics,5,528–534(2017)），通過原位測量近場和遠場的時間分辨熒光，解析載流子橫向擴散系數的空間分布，分辨率可以達到100nm，并與同位的表面形貌相對應，非常適合于量子阱等薄膜結構。
蘇州納米所測試分析團隊基于自主研制的光輔助掃描開爾文探針顯微鏡發(fā)展了一種新型的掃描擴散顯微術的測量方法，這種方法區(qū)別于基于SNOM的方法，其測量的擴散運動的方向是垂直于表面，尤其適合于塊材和多層的器件結構的解析。 該工作在《Journal of Applied Physics》期刊上發(fā)表并被選為該期封面論文（Direct measurement for nanoscale vertical carrier diffusion on semiconductor surface—An approach toward scanning diffusion microscopy）。文章第一作者為博士研究生王亞坤，通訊作者為劉爭暉正高級工程師、徐科研究員。
如圖2所示，通過掃描開爾文探針顯微術探測光生電勢隨波長的變化和空間分布，可對載流子的擴散長度進行擬合；將擴散長度分布結合同位測量的時間分辨熒光壽命，可以獲得垂直于表面的擴散系數的空間分布和變化，從而可以同時獲得納米尺度的表面形貌、擴散長度和擴散系數的定量信息，為評價微觀結構對載流子輸運性質的影響提供了新的手段。如圖 3所示，375nm光照下氮化鎵表面壓痕處的光電勢圖像與同位獲得的形貌圖像、陰極射線熒光光譜（CL）圖像和載流子壽命圖像對比。可以看到光電勢圖像具有極高的空間分辨率，與CL揭示的非輻射復合中心可以對應。如圖4所示，根據光電壓譜擬合得到的白線位置的載流子壽命、擴散長度和擴散系數的分布?？梢郧逦目吹?，在壓痕導致的位錯環(huán)與表面相交的位置，表面光電勢較小，在圖中呈現為兩條黑線；跨越位錯環(huán)時，擴散系數從0.2-0.5 cm2/s，降低到0.02cm2/s，顯示了位錯等缺陷對載流子輸運性質的局域影響非常明顯。
圖2 基于局域光電勢譜的掃描擴散顯微術方法示意圖：通過掃描開爾文探針顯微術探測光生電勢隨波長的變化和空間分布，可對載流子的擴散長度進行擬合，結合時間分辨光譜獲得載流子壽命，可進一步獲得擴散系數等載流子輸運性質。
圖3 (b)為氮化鎵表面壓痕處缺陷引入的的光電勢圖像，并與同位獲得的(a)形貌圖像、(c)陰極射線熒光光譜（CL）圖像和(d)載流子壽命圖像對比?？梢钥吹焦怆妱輬D像具有極高的空間分辨率，與CL揭示的非輻射復合中心可以對應。
圖4 (a) 跨越GaN材料表面缺陷位置的光電勢圖像（375 nm 波長激發(fā)），(b)(c)分別是沿(a)圖白線方向獲得的電勢和壽命分布，(d)(e)分別是沿掃描線方向，擬合光電勢譜和時間分辨光譜獲得的擴散長度和擴散系數的變化，在缺陷位置的分辨率可達到100nm。
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