CN102662096A

CN102662096A - 一种半导体材料表面光电压的测量方法

Info

Publication number: CN102662096A
Application number: CN2012101648864A
Authority: CN
Inventors: 薛名山; 李文; 王法军; 欧军飞; 吴海南
Original assignee: Nanchang Hangkong University
Current assignee: Nanchang Hangkong University
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2012-09-12

Abstract

一种半导体材料表面光电压的测量方法，其特征是方法步骤为：（1）准备需要测量的表面清洁的半导体材料；（2）准备好开尔文探针系统和照射光源；（3）利用开尔文探针系统测量在光照射前后半导体材料表面电子功函数的变化曲线图，读取光照射前后材料表面的电子功函数值；（4）计算得出半导体材料表面光电压。本发明的特点是：利用开尔文探针测量半导体材料在光照射前后的电子功函数变化，从而获得表面光电压数据。本发明的优点是：该测量方法是一种无损检测方法，具有操作简单便捷、经济实用、数据精确等优点。

Description

一种半导体材料表面光电压的测量方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种半导体材料表面光电压的测量方法。

背景技术

为设计或制备光电器件,光电功能材料的光电性能(如表面光电压)表征是非常重要的环节。表面光电压是固体表面的光生伏特效应,是光致电子跃迁的结果。在以往的测量中，表面光电压谱等检测技术在分析半导体材料表(界)面的光生电荷跃迁和转移过程等方面具有一定的优越性。但是,当待检测的光电物理属性具有比较大的弛豫时间,或者很大地依赖于材料的局域能级(实际中,半导体特别是金属氧化物半导体材料,表面/界面能级,缺陷能级,激子能级等总是存在)时,这些方法的时间分辨技术不能有效地表征这类物理属性。例如,通过用脉冲光源作为ZnO的激发光源,用时间分辨光发射谱技术测量ZnO中电子在激发能级中的寿命, 结果只检测到寿命是1000 ps左右的那部分,而寿命更长(如寿命达几十秒甚至数分钟)的部分很难被检测到。这是因为激发电子在激发的局域能级中具有很长的寿命,在复合过程中辐射的光非常微弱。

与上述方法相比,开尔文探针是一种在各种环境条件下(如在不同温度、湿度、气压、真空、液体中)均可使用的仪器,并且其操作简单方便、费用低廉、对待测样品无损伤、不污染样品、灵敏度高( < 5 meV,远高于XPS或Auger电子能谱等方法测量的电子功函数的灵敏度)。因此,开尔文探针方法是检测电子功函数的首选方法。同时, 在检测电子功函数的基础上,我们发现在光照射下可进一步测量半导体材料随时间分辨的光伏行为——表面光电压。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体材料表面光电压的测量方法，该方法是利用开尔文探针测量半导体材料表面的电子功函数在一定频率的光照射前后电子功函数的变化，从而计算得出其表面光电压。该方法是一种无损检测方法，具有操作简单便捷、经济实用、数据精确等优点。

本发明是这样来实现的，其特征在于，包含以下步骤：

（1）将需要测量的半导体样品表面进行清洁处理，去掉表面的污染物和油脂等；

（2）打开开尔文探针系统，调节系统控制参数，使其保持在稳定的工作状态；根据所测半导体材料的能带带隙，调节照射光源的发射光频率和光强；

（3）将半导体样品放置在开尔文探针下，测量样品表面电子功函数；待所测电子功函数保持稳定后，记录下所测电子功函数W ₁；打开光源，使光线照射在样品表面，同时测量其电子功函数；待光照射下所测的电子功函数保持稳定后，记录下所测电子功函数W ₂；关闭光源，观测所测电子功函数随时间的衰减变化，记录下电子功函数的整个变化过程；

（4）利用公式V _p = W ₂- W ₁计算得出半导体材料的表面光电压。

通过测量光照射前后半导体表面电子功函数的变化，计算得出表面光电压。

能够测量各种无机、有机半导体的表面光电压，如各种晶型的硅、碳化硅、砷化镓、氧化锌等。

所测得的半导体材料表面光电压具有很高精度，最小分辨率可达0.1 meV。

当光电效应发生时, 被激发的未复合少数载流子即电子和空穴在空间电场的作用下向相反方向漂移, 同时沿着浓度的梯度方向扩散, 这使得内建电场减少。结果是在界面/表面附近的费米能级不再相等, 即产生电势差, 形成光电压V _p。利用开尔文探针测量光电压, 由振动探针和待测样品构成的耦合电容C _p、光电压V _p、受控偏置电压V _b 可组成一个等效电路。由于光电压V _p不依赖于计算机控制, 可得到包含光电压V _p 的计算式：

Ф _S- Ф _T + eV _p + eV _b0 = 0

即 V _p= -V _b0- (Ф _S- Ф _T)/e

其中V _b0就是开尔文探针在光照前所测的半导体表面电子功函数值W ₁，而- (Ф _S- Ф _T)/e就是开尔文探针在光照时所测的半导体表面电子功函数值W ₂。因此, 半导体材料的表面光电压可用下式直接计算：

V _p = W ₂- W ₁

从而提供了一种用开尔文探针方法定量地测量半导体材料表面光电压的方法。

本发明的优点是：利用开尔文探针容易测量电子功函数的优点，同时结合电子功函数与表面光电压之间的物理关系，从而提供了一种用开尔文探针方法定量地测量半导体材料表面光电压的方法。实施时直接测量半导体材料表面在光照射前后电子功函数的变化，就可以直接获得材料表面光电压，具有操作简单便捷、经济实用、数据精确等优点，为本方法的实施提供了可行性和便利性。

附图说明

图1为本发明测量半导体材料表面光电压的工艺流程图。

图2为本发明实施测量ZnO单晶薄膜表面光电压的数据。

具体实施方式

下面结合ZnO单晶薄膜表面光电压的实施例和附图对本发明的实施进行详细说明：

附图1为本发明测量半导体材料表面光电压的工艺流程图。为了保证半导体材料表面光电压数据的准确性，首先需要对材料表面进行清洁处理。下面结合ZnO单晶薄膜表面光电压的测量步骤来阐述本发明的实施方式，其具体如下：

（1）将制备好的1微米厚的ZnO单晶薄膜分别用无水乙醇和丙酮清洗、在干燥箱中烘干后备用；

（2）打开开尔文探针测试仪，调节各项工艺参数使仪器处于正常工作状态；调节Hg-Zn-Cd紫外光源,使其发射紫外光的中心波长在254 nm。

（3）将ZnO单晶薄膜放置在开尔文探针下，测量其表面电子功函数；待所测电子功函数保持稳定后（附图2中的a段），记录下所测电子功函数W ₁= 81.2 meV；打开紫外光源，使光线以与样品表面呈30°角照射，同时测量其电子功函数；待光照射下所测的电子功函数保持稳定后（附图2中的c段），记录下所测电子功函数W ₂= -350 meV；关闭紫外光源，进一步观测所测电子功函数随时间的衰减变化（附图2中的d段），记录下电子功函数的整个变化；

（4）利用公式V _p = W ₂ - W ₁计算得出ZnO单晶薄膜表面光电压为-431.2 meV。

另外，在附图2中b和c段的电子功函数测量值减少表明所测ZnO样品是一种N型的半导体，这主要是由于ZnO生长过程中，氧空位比锌空位的形成能更低而导致更多的氧空位，使其表现为N型半导体。相应地, 表面容易吸附空气中的氧。d段显示了在没有光作用的条件下，表面光电压V _p缓慢衰减的弛豫过程，在经过大约5 min后光电压才衰减一半。由此可知, 光电压的产生过程远远快于光电压的衰减过程，主要是因为被激发的光电子漂移之后被表面/界面能级、缺陷能级、激子能级等局域能级所捕获。

本发明利用开尔文探针容易测量电子功函数的优点，同时结合电子功函数与表面光电压之间的物理关系，从而提供了一种用开尔文探针方法定量地测量半导体材料表面光电压的方法。本发明方法具有操作简单便捷、经济实用、数据精确等优点，可应用于半导体材料表征与光电器件设计中。

Claims

1. 一种半导体材料表面光电压的测量方法，其特征在于，包含以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种半导体材料表面光电压的测量方法，其特征在于通过测量光照射前后半导体表面电子功函数的变化，计算得出表面光电压。

3.如权利要求1所述的一种半导体材料表面光电压的测量方法，其特征在于能够测量各种无机、有机半导体的表面光电压，如各种晶型的硅、碳化硅、砷化镓、氧化锌等。

4.如权利要求1所述的一种半导体材料表面光电压的测量方法，其特征在于所测得的半导体材料表面光电压具有很高精度，最小分辨率可达0.1 meV。