一种电场调控原子尺寸器件光电性能的方法

本发明属于半导体测试技术领域，尤其涉及一种原子尺寸器件光电性能的电场调控方法。

背景技术：

c-afm即原子力显微镜的导电模块，是在afm接触模式基础上结合外部导电回路，在针尖和样品之间施加一定的偏压，并记录导电探针和样品间的电流值，c-afm己被用来测量局部电导率、局部压电性、光电性质等。(advancedmaterials,2015,27(4):695-701.)现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、生物等领域中，是目前研究纳米技术和材料分析最重要的工具之一。(appliedsurfacescience,2006,252(6):2375-2388.)

调控光电性能的主要方法：表面等离子体作用(appl.phys.lett.2011,13:3678-3681.)、激光辐照(nanores.2012,5:412-420.)和掺杂(naturecommunications,2015,6,6564.)。然而，上述方法存在一些缺点，等离子体作用增强效应对薄膜衬底具有选择性且操作过程复杂；激光辐照进行表面改性的研究很多，但没有构建辐照和光电性能的定量的关联；掺杂虽能调控光电性能，但会使纳米材料的结晶质量变差。因此，对其光电性质进行有效地调控,对构造半导体纳米器件的高性能光电器件，尤其是垂直结构器件(scienceadvances,2019,5(12):eaax6061.)具有重要意义。

光刻(small,2018,14(49):1870239.)和电子束曝光(naturenanotechnology,2011,6(3):147.)是传统构建具有沟道长度器件的方法。然而，上述方法不能对器件沟道长度进行调节。相关科研人员研究发现，随着电子器件和光电器件尺寸越来越小，沟道长度也随之缩小，沟道长度减少到原子级尺寸可以产生不同的性质，并对器件及电路性能、半导体器件设计优化产生重大影响，也就是说沟道长度对器件的光电性能有着重要的影响(acsnano,2015,9(3):2843-2855.)。

因此，深入研究原子级沟道长度对器件光电性能的影响，对整个集成电路的设计有着非常重要的作用。

技术实现要素：

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于通过电场调节原子级的沟道长度，提供一种电场调控原子尺寸器件光电性能的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种电场调控原子尺寸器件光电性能的方法，利用c-afm对原子器件施加设定时间的偏压实现其原子级沟道长度的调节，通过测试偏压作用后的原子器件的i-v曲线和i-t曲线，计算得到偏压作用后各对应沟道长度下器件的电导率和开关比，从而获得沟道长度与电导率以及沟道长度与开关比的关系式。

-进一步的，具体过程如下：

步骤一：搭建电场

将器件放在c-afm样品台上，通过导线与导电探针连成回路；

步骤二：测量沟道长度

首先记录原子器件的原始形貌图并测量其高度，得到初始沟道长度，再通过c-afm施加设定时间的固定偏压，使样品与针尖接触部分受到电场作用，记录施加设定时间的偏压后原子器件形貌图，作出高度图，得到电场作用后的沟道长度；

步骤三：测试光电性能

对施加偏压后的器件进行电学测试，包括i-v曲线测试和i-t曲线测试，根据测试得到的i-v曲线和i-t曲线，计算出电场作用后对应沟道长度器件的电导率和开关比；

步骤四：建立了原子级沟道长度与光电性能的定量关联

依据步骤三计算得到的电场作用后对应沟道长度下器件的电导率和开关比，拟合得到沟道长度与电导率以及沟道长度与开关比的关系式。

进一步的，i-t曲线的测试过程如下：激光聚焦镜头置于c-afm的样品腔室内并通过光纤与激光器连接，将光信号引入到导电探针与器件接触区域，测得在方波脉冲条件下的i-t曲线。

进一步的，器件搭建的具体过程如下：在基底上镀pt层，将半导体纳米材料转移到pt层上，导电探针用于与半导体纳米材料接触，以使导电探针、半导体纳米材料以及电源形成回路。

进一步的，所述电源的一端与所述导电探针连接，所述电源的另一端与所述样品台或pt层连接，所述样品台为导电样品台。

进一步的，所述基底采用si基底。

进一步的，：所述pt层采用磁控溅射的方式镀在基底上。

进一步的，将镀有pt的基底经过去离子水清洗→乙醇清洗→干燥后，将半导体纳米材料通过微机械剥离法转移到pt层上。

进一步的，所述pt层的厚度为150nm。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明通过对原子器件施加电场，实现原子级沟道长度可控调节，根据测得的i-v曲线和i-t曲线，计算对应沟道长度下的电导率和电流开关比，建立了原子级沟道长度与光电性能的定量关联，测量沟道长度精度达到0.01nm，做到了原子级沟道长度的调控，对场效应晶体管、光电探测器、传感器等器件性能以至整个mems的设计都有着非常重要的指导作用。

附图说明

图1为测试示意图；

图2为原始形貌图；

图3为电场作用后形貌图；

图4为不同偏压作用时间对应的沟道长度图；

图5为不同偏压作用时间对应的i-t曲线；

图6为不同偏压作用时间对应的电流开关比-时间(t)曲线；

图7为沟道长度与电流开关比的关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，一种电场调控原子尺寸器件光电性能的方法，包括如下步骤：

步骤一：原子器件搭建

在基底上镀pt层，将半导体纳米材料转移到pt层上，导电探针用于与半导体纳米材料接触，使导电探针、半导体纳米材料以及电源形成回路，以对材料施加电场；

步骤二：测量沟道长度

测量原始沟道长度

通过原子力显微镜记录原子器件的形貌图，作出高度图，得到初始沟道长度；

测量电场作用后沟道长度

通过导电探针对原子器件施加设定时间的固定偏压电压，记录不同偏压持续时间下原子器件的形貌图并作出高度图，得到不同偏压持续时间下原子器件的沟道长度；

步骤三：测试光电性能

对施加设定时间偏压后的原子器件进行电学测试，包括i-v曲线测试和i-t曲线测试，根据测试得到的i-v曲线和i-t曲线，计算出对应沟道长度下原子器件的电导率和开关比。

步骤四：建立了原子级沟道长度与光电性能的定量关联

依据步骤三计算得到的偏压作用后对应沟道长度下器件的电导率和开关比，拟合得到沟道长度与电导率以及沟道长度与开关比的关系式。

i-t曲线测试具体过程如下：激光聚焦镜头置于导电原子力显微镜的样品腔室内并通过光纤与激光器连接，将光信号引入到导电探针与原子器件接触区域，并对原子器件施加方波脉冲，方波脉冲的电压值与步骤三中的电压值相等，测量回路中不同光信号作用时间下的电流值，并绘制i-t曲线；

本发明利通过对原子器件施加电场(本实施例中利用导电原子力显微镜对器件施加偏压实现)，实现原子级沟道长度可控调节，通过对施加设定时间的偏压后的原子器件进行电学测试，获得对应沟道长度下器件的i-v曲线和i-t曲线，在电学测试过程中施加的电压为方波脉冲电压(1hz，-0.5v)，电压较小，且测试过程很短(6秒)，因此对对沟道长度的影响可以忽略不计。根据测得i-v曲线和i-t曲线，计算对应沟道长度下的电导率和电流开关比，建立了原子级沟道长度与光电性能的定量关联，测量原子级沟道长度精度达到0.01nm，对场效应晶体管、光电探测器、传感器等器件性能以至整个mems的设计都有着非常重要的指导作用。

下面结合试验例和附图对本发明作进一步说明。

以纳米功能材料mos2为例进行说明，首先在si基底上通过磁控溅射的方法镀150nmpt层，将基底经过去离子水清洗→酒精清洗→干燥，将mos2通过微机械剥离法转移到pt层上，原子器件放在c-afm样品台，通过导线与导电探针连成回路。

参见图2和图3，首先利用导电原子力显微镜测量mos2原始沟道长度，并测得原始i-v曲线和在方波脉冲条件下原始i-t曲线，再通过c-afm施加一定时间的固定偏压，记录施加偏压后的mos2形貌图，得到电场作用后的沟道长度，根据固定偏压下的不同时间段内沟道长度的变化规律，通过拟合曲线建立起v×t(v表示偏压大小，t表示偏压作用时间)与沟道长度的定量联系，参见图4。

对施加设定时间的偏压后的原子器件进行电学测试，测得i-v曲线和在方波脉冲(1hz，-0.5v)条件下i-t曲线，最后根据测得i-v曲线和i-t曲线，计算电场作用后原子器件的电导率和电流开关比，图5为不同沟道长度对应的i-t曲线，图6显示了不同沟道长度对应的i-t曲线。

沟道长度与电流开关比的关系如图7所示：通过结合图4可以得到沟道长度和电流开关比的一一对应关系，从而实现对光电性能的定量调控。

综上所述，本实施例利用导电原子力显微镜搭建mos2原子级沟道长度器件，测量mos2沟道长度与i-v曲线和i-t曲线的关系，从而更好的调控mos2的光电性能。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。