通过近场成像和光谱技术对半导体复杂堆叠结构的表征

《Advanced Materials》：Characterization of Complex Stacking of Semiconductors Through Near Field Imaging and Spectroscopy

垂直表面等离子体激元与T2SL异质结的红外特性表征

　　红外光探测技术在许多领域中发挥着重要作用，如国防、医疗、化学和生物传感等。这些技术通常覆盖中波和长波红外波段（波长范围为3至12微米）。目前，尽管已有多种商用红外探测器，如HgCdTe探测器、量子阱红外探测器（QWIP）以及最近发展的III-V型二类超晶格（T2SL）探测器，但高灵敏度探测仍然面临挑战，尤其是在高温工作条件下。为了进一步提高探测器的性能并使其能够在更高的温度下运行，研究者们不断探索更复杂的半导体外延结构。这些结构不仅提高了探测效率，还带来了新的技术难题，特别是在表征这些结构的几何和光学特性方面。

传统的表征方法通常依赖于破坏性手段，例如使用聚焦离子束（FIB）制备样品的横截面，然后通过透射电子显微镜（TEM）进行分析。然而，这种方法存在两个主要局限：一方面，某些材料在FIB处理过程中可能会发生反应，导致结构信息的失真；另一方面，TEM无法有效获取红外波段的光学特性。因此，寻找一种非破坏性的、能够准确表征复杂外延结构光学特性的方法成为研究的重要方向。

近场光学显微镜（SNOM）作为一种非破坏性的表征工具，能够在纳米尺度上获取材料的光学信息，包括折射率、吸收特性以及表面等离子体激元（SPP）等现象。与传统方法相比，SNOM不仅能够提供高分辨率的图像，还能通过近场光谱分析获取材料的详细光学特性。本研究中，采用SNOM对一个由二类超晶格和高度掺杂半导体层组成的复杂外延异质结构进行了表征，该结构形成了一个PIN光电二极管。通过机械切割而非FIB制备，研究人员能够在样品的侧面上进行测量，从而避免了对材料的破坏。

在本研究中，SNOM的近场图像和光谱数据被用于提取二类超晶格的截止频率以及高度掺杂半导体层的掺杂水平。此外，通过超光谱表征，研究人员还能够从垂直界面处获取关于表面等离子体激元的信息。这种现象在传统方法中难以检测，但在SNOM的近场光学特性中却清晰可见。研究团队还利用扫描透射电子显微镜（STEM）对样品的材料组成和结构进行了确认，确保了SNOM表征结果的准确性。

对于二类超晶格的表征，研究人员通过STEM图像确认了其层状结构，并通过能量色散X射线光谱（EDX）分析了各层的成分和厚度。结果显示，二类超晶格的周期结构在原子层面上清晰可见，其厚度与设计相符。随后，通过SNOM的近场光谱分析，研究人员发现该结构的截止频率接近文献中的预测值，这表明其在红外波段的性能良好。值得注意的是，二类超晶格的截止频率与其内部的电子能带结构密切相关，而该结构的截止频率在9微米附近出现了一个小而宽的峰值，这与文献中对二类超晶格的光学特性描述一致。

对于高度掺杂的半导体层，研究人员同样使用SNOM进行表征。这些层被设计为在长波红外波段（8至12微米）中充当镜面，其光学特性与掺杂水平密切相关。通过改变掺杂水平并测量其对纳米傅里叶红外（nano-FTIR）光谱的影响，研究人员能够确定各层的掺杂浓度。结果表明，第一层的掺杂水平为3.5×10¹⁹ cm^?3，第二层为3.8×10¹⁹ cm^?3。这些结果与预期相符，且能够解释不同层之间的光学响应差异。第一层由于是最早生长的层，其热预算较高，导致掺杂剂扩散更彻底，因此其最终的掺杂水平较低。

除了对各层的光学特性进行表征外，研究团队还对垂直界面处的表面等离子体激元进行了分析。通过超光谱SNOM图像，研究人员发现这些界面在特定波长范围内表现出显著的相位和振幅变化，这表明了表面等离子体激元的激发。研究团队认为，这些现象是由于高度掺杂半导体层与相邻半导体层之间的界面特性所致。在界面处，表面等离子体激元的传播特性与水平方向上的表面等离子体激元有所不同，它们沿着垂直方向传播，因此在SNOM的测量中无法观察到干涉条纹。通过对这些界面的光谱分析，研究人员提取了表面等离子体激元的色散曲线，并将其与实验数据进行对比，结果表明这些曲线与实际测量结果高度一致。

研究团队还指出，表面等离子体激元的激发可能来源于SNOM探针或样品表面。尽管他们认为探针是更有效的激发方式，但仍需进一步实验验证。此外，研究团队还强调，这些表面等离子体激元的色散曲线在特定波长范围内表现出渐近行为，其波长与实验测量结果非常接近，误差在130纳米以内。这一结果表明，SNOM不仅能够有效表征材料的光学特性，还能够揭示其在界面处的物理行为。

综上所述，本研究通过结合SNOM近场分析与模拟计算，成功地表征了复杂半导体异质结构的光学特性。这种方法不仅避免了传统破坏性方法的限制，还能够在非破坏性条件下获取材料的详细光学信息。此外，研究团队还揭示了在垂直界面处的表面等离子体激元现象，这为理解材料界面处的电磁相互作用提供了新的视角。未来，这种方法有望应用于其他类型的异质结构，如二类超晶格条带、量子阱和量子级联探测器等，从而进一步推动红外探测技术的发展。