扫描探针显微镜针尖电容的测量与应用

　　0　引　　言

　　扫描探针显微镜(SPM)通过尖锐针尖扫描样品表面可以获得样品的表面微区信息。SPM包括了各种各样的扫描技术,如扫描隧道显微镜(STM),原子力显微镜(AFM),压电力显微镜(PFM)等。这些方法能够有效的分析样品的微区表面特性[1-4],然而对于分析多层结构的内部界面特性却很困难[5],如微区的半导体异质结的界面载流子分布。而宏观上半导体界面特性的C-V法测量却很普及[6-8]。为了在微区上同样实现C-V法的测量,必须实现微小电容的测量。虽然提高输入信号的频率可以获得大的信号输出[9],但是这样无法获得材料的低频特性。因此,基于SPM平台的微小电容的检测成为研究材料微区界面低频特性必须突破的难点。本文实现了微区电容的测量,为研究薄膜器件微区缺陷或极化对载流子的影响提供了试验平台。在此系统上测量了针尖电容Ctip分别与距离z、电压V的曲线(C-z曲线和C-V曲线),并对它们进行了分析。

　　1　微区电容测量装置与原理

　　电容测量装置如图1所示。在扫描探针显微镜平台,样品台施加直流偏压和交流信号电压,样品底电极与样品台连接,电流经导电针尖与所设计的低噪声电流放大器的输入端相连,然后通过锁相放大器提取特定频率的信号,从而获得针尖与样品之间的电容。由于针尖顶端半径一般为几十纳米,所测电容在飞法量级(10-15F),甚至更小。电流放大器要检测飞安量级的电流(在交流电压幅度为0.3 V,频率为50 kHz时)。因此,测量系统应尽量抑制噪声,并能够从噪声中提取所需的信号。实验中使用了低噪声放大器,并利用锁相放大器提取固定频率的信号。针尖与电流放大器的反相输入端连接,电势为零。这样可以在样品台和针尖之间做好屏蔽以减小寄生电容对测量的影响。数据采集分析由计算机全自动控制,提高测试效率与质量,而且在C-V测量时能够方便地通过进行适量平均以获得更精确的电容值。

　　针尖与运算放大器的虚地反向输入端相连,其电势为零。因此,在样品底电极施加交流电压时,流过针尖的电流为:

　　式中:t为时间变量,Vin和ω分别为输入交流电压的幅值和角频率;θ为电源初始相位;Ctip为所测针尖电容,包括针尖-样品电容,支架、悬臂与样品平台构成的背景电容。Itip经低噪声电流放大器放大,然后被锁相放大器提出关于ω的一次分量的幅值。因此,针尖电容为:

　　式中:Vout为锁相放大器的输出幅值电压,G和φ分别为低噪声电流放大器增益的幅度和相位。在样品等效电阻R很大的情况下(R 1/(ωC)),幅值电压几乎为电容的贡献。这时等式(2)可以简化为: