苏州纳米所测试分析平台在纳米尺度载流子输运性质表征技术和仪器研制上取得新进展

图1 Journal of Applied Physics封面论文

传统的测试载流子动力学的手段，包括时间分辨光致荧光（TRPL)，表面光电压谱（SPV）和光诱导瞬态光栅光谱（LITG）能分别测量载流子寿命、扩散长度和扩散系数等材料特性，但是分辨率通常在微米以上，且无法与纳米尺度结构特征原位对应。近年来，Mounir Mensi等提出一种基于扫描近场光学显微镜（SNOM）的扫描扩散显微术方法（ACS Photonics,5,528–534(2017)），通过原位测量近场和远场的时间分辨荧光，解析载流子横向扩散系数的空间分布，分辨率可以达到100nm，并与同位的表面形貌相对应，非常适合于量子阱等薄膜结构。

苏州纳米所测试分析团队基于自主研制的光辅助扫描开尔文探针显微镜发展了一种新型的扫描扩散显微术的测量方法，这种方法区别于基于SNOM的方法，其测量的扩散运动的方向是垂直于表面，尤其适合于块材和多层的器件结构的解析。 该工作在《Journal of Applied Physics》期刊上发表并被选为该期封面论文（Direct measurement for nanoscale vertical carrier diffusion on semiconductor surface—An approach toward scanning diffusion microscopy）。文章第一作者为博士研究生王亚坤，通讯作者为刘争晖正高级工程师、徐科研究员。

如图2所示，通过扫描开尔文探针显微术探测光生电势随波长的变化和空间分布，可对载流子的扩散长度进行拟合；将扩散长度分布结合同位测量的时间分辨荧光寿命，可以获得垂直于表面的扩散系数的空间分布和变化，从而可以同时获得纳米尺度的表面形貌、扩散长度和扩散系数的定量信息，为评价微观结构对载流子输运性质的影响提供了新的手段。如图 3所示，375nm光照下氮化镓表面压痕处的光电势图像与同位获得的形貌图像、阴极射线荧光光谱（CL）图像和载流子寿命图像对比。可以看到光电势图像具有极高的空间分辨率，与CL揭示的非辐射复合中心可以对应。如图4所示，根据光电压谱拟合得到的白线位置的载流子寿命、扩散长度和扩散系数的分布。可以清晰的看到，在压痕导致的位错环与表面相交的位置，表面光电势较小，在图中呈现为两条黑线；跨越位错环时，扩散系数从0.2-0.5 cm²/s，降低到0.02cm²/s，显示了位错等缺陷对载流子输运性质的局域影响非常明显。

图2 基于局域光电势谱的扫描扩散显微术方法示意图：通过扫描开尔文探针显微术探测光生电势随波长的变化和空间分布，可对载流子的扩散长度进行拟合，结合时间分辨光谱获得载流子寿命，可进一步获得扩散系数等载流子输运性质。 

图3 (b)为氮化镓表面压痕处缺陷引入的的光电势图像，并与同位获得的(a)形貌图像、(c)阴极射线荧光光谱（CL）图像和(d)载流子寿命图像对比。可以看到光电势图像具有极高的空间分辨率，与CL揭示的非辐射复合中心可以对应。

图4  (a) 跨越GaN材料表面缺陷位置的光电势图像（375 nm 波长激发），(b)(c)分别是沿(a)图白线方向获得的电势和寿命分布，(d)(e)分别是沿扫描线方向，拟合光电势谱和时间分辨光谱获得的扩散长度和扩散系数的变化，在缺陷位置的分辨率可达到100nm。 

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