CN104714165B - 界面陷阱能级分布的光电导分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种界面陷阱能级分布的光电导分析方法，其包括：测量界面IV曲线，并研判该界面是否具有阻变特性；由dG/dV‑V曲线定位界面陷阱能级的加权平均中心位置；测量阻变界面所涉及功能介质材料不同温度下的光电导特性，并据此分析具体是介质中的载流子陷阱能级分布特征；结合肖特基发射模型给出介质/电极界面陷阱能级分布。本发明光电导测量制样简单，可在大气环境下进行，且实验结果处理过程较简便，对不同宽度陷阱能级分布的情形都适用。

Description

界面陷阱能级分布的光电导分析方法

技术领域

本发明涉及一种界面阻变效应中界面陷阱能级分布的光电导分析方法，具体是指一种针对功能介质和电极接触所形成的阻变界面，通过功能介质的光电导特性来分析介质/电极界面陷阱能级分布的光电导分析方法。

背景技术

阻变是指电致电阻变化效应，是一种具有高密度，高速度，低功耗的信息记忆特性，已成为神经网络计算和半导体行业的研究重点之一。界面阻变是一类重要的阻变行为：它反映的是功能介质材料(如Bi₂S₃薄膜，ZnO，非晶硅，SrTiO₃等)和电极层所形成的界面在电场作用下引起的电阻态变化。这种界面阻抗已被归结为电场引起的载流子在界面陷阱中的俘获/释放所致的肖特基势垒的变化。分析和评估界面陷阱的能态分布对于深入理解界面阻变机制，改善界面阻变器的性能十分重要。根据界面阻变的肖特基发射模型，介质层本身的载流子陷阱和界面陷阱的形成关系密切，因而成为研究对界面陷阱能态分布的一个重要抓手。在已有的分析阻变介质陷阱的实验方法中，电子显微学方法(HRTEM，EELS，PEEM)和X射线谱学方法(XPS，XAFS)存在制样困难，且要求真空环境等特殊实验条件，而深能级瞬态谱法主要对深能级陷阱敏感，难以分析陷阱能级分布较宽的情形，且实验结果分析过程较复杂。

发明内容

本发明目的是：提供一种界面陷阱能级分布的光电导分析方法，其能够在大气环境下进行，且能够适用于各种宽能级分布陷阱的分析，克服了上述已有方法在实验环境要求或分析能力上的不足，具体是指通过分析介质材料的变温光电导特性得到反映介质层本身的载流子陷阱分布的一系列关键特征，再结合肖特基发射模型推演出介质/电极界面陷阱能级分布。

本发明的技术方案是：一种界面陷阱能级分布的光电导分析方法，其包括：

S1：首先测量待分析介质/电极界面的I-V曲线，并据此研判界面是否具有阻变特性；

S2：然后将阻变界面的I-V曲线转换成dG/dV-V曲线，其中电导G＝I/V，并用于定位界面陷阱能级的加权平均中心位置WCT_i(WCT：Weighting Center of the Traps，而下标i代表界面interface的意思)；

S3：接着测量阻变界面所涉及介质材料的变温光电导特性，并据此分析介质本身的陷阱能级分布特征；

S4：最后结合肖特基发射阻变模型，由步骤S2和S3所得出的关于陷阱能级分布的特征参数给出界面陷阱能级的分布状态。

在上述技术方案的基础上，进一步包括如下附属技术方案：

上述方案中，待分析的介质/电极界面是利用拓扑转换方法把带有纳米网格结构的Bi₂S₃薄膜(BSNN)制备在FTO衬底上而形成的BSNN/FTO界面，其制作方式为：在FTO基底上采用反应溅射法制备一层200nm厚的BiO_x薄膜，将所得薄膜在空气中400℃退火3小时使之转化为β-Bi₂O₃薄膜，将退火得到的β-Bi₂O₃薄膜置于HCL和硫代乙酰胺的混合溶液中(HCL和硫代乙酰胺的浓度分别为0.4mol/L和0.5mol/L)，在60℃下水浴72小时进行拓扑转换得到BSNN，最后使用导电银胶作为BSNN的欧姆接触；

上述方案中，步骤S1中所述介质/电极界面的I-V曲线是通过Keithley2635测量源表测得，其中具有阻变特征的界面，其I-V曲线呈非对称状，且置位段I-V曲线满足肖特基发射模型：lnI＝A+BV^1/2，A和B为两个拟合参数，其中B>0；

上述方案中，步骤S2中所述界面陷阱能级加权平均中心位置由dG/dV-V曲线定位：由于载流子在陷阱中俘获/释放是引起界面阻态变化的关键原因，故界面陷阱能级加权平均中心位置WCT_i和置位段dG/dV峰值所在电压值V直接对应，即WCT_i＝-e×V，e是电子的单位电荷；

上述方案中，步骤S3中所述介质材料变温光电导特性的测量方式是：首先在无光照环境下，沿介质层薄膜膜面方向施加电压U，使之产生暗电流I_D，然后用能量大于介质禁带宽度的光照射功能介质层使之产生光电导，相应的膜内电流变为暗电流I_D和光电流I_P之和，待光电流稳定一段时间后撤去光照，并观察光电流驰豫过程。对于陷阱能级分布存在一定宽度的介质膜层材料，其光电流随时间t驰豫的过程符合广延指数律：I_P＝I₀exp[(-t/τ)^β]，其中I_P、t、I₀，β和τ分别是指光电流、驰豫时间、光电流指前因子，弥散参数和特征时间。特征时间τ随温度的变化满足其中τ₀是指特征时间指前因子、k是玻尔兹曼常数、T是温度、是依赖于τ的激活能；暗电流随温度的变化满足I_D0是指暗电流指前因子、k是玻尔兹曼常数、T是温度、是依赖于I_D的激活能；根据不同的温度下测得的光电流驰豫特性，可以得到陷阱能级分布的一系列特征参数：能级分布的宽窄程度，陷阱能级的加权平均中心WCT(Weighting Center of the Traps)与介质导带底的相对位置，以及陷阱能级位置的上下限E_TD和E_TE：

a)β(0<β<1)反映陷阱能级分布的宽窄程度：β越接近0，则陷阱能级分布越宽，β越接近1，则陷阱能级分布越窄；

b)特征时间τ随温度的变化满足从中得到所述表示介质材料本身陷阱能级的WTC位于导带底E_CB下方,且WTC和E_CB的能量差为E_CB为导带的最低位置；

c)陷阱的所有能级都不可能高于导带底，故能级位置的上限E_TD近似为导带底E_CB；

d)暗电流随温度的变化满足从中可得它是介质中陷阱能级的下限E_TE。

上述方案中，步骤S4包含以下两个近似处理：

a)由于费米能级的钉扎作用，WCT≈WCT_i，E_TE近似为连续分布界面陷阱的能级下限；

b)连续分布陷阱的能级上限在界面处变为介质材料功函数W_d和电极材料的功函数W_e之差ΔΦ＝W_d-W_e。

至此，可以得到反映界面陷阱能级的分布状态的能带结构图。

本发明优点是：

1.本发明提供的上述方法能够通过介质光电导特性得到反映介质层本身载流子陷阱分布的一系列关键特征，并结合肖特基发射模型推演出界面陷阱能级分布。光电导测量制样简单，可在大气环境下进行，且实验结果处理过程较简便，对不同宽度陷阱能级分布的情形都适用。

2.本发明通过介质光电导特性推演出界面陷阱能级分布，能够为研究界面阻变器件的微观物理机制研究提供指导。

3.利用本发明可用于筛选具有合适陷阱分布的功能层材料，并应用于界面阻变器件的设计和制作。

4.不限于本申请所述的BSNN/FTO面，其他有广延指数驰豫光电流的功能介质材料(如ZnO，非晶硅，SrTiO₃等)参与构成的阻变界面，同样适合于使用本发明所述方法。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为阻变界面陷阱能级分布流程图；

图2为BSNN/FTO界面阻变器件IV曲线和肖特基发射模型拟合；

图3为BSNN/FTO的dG/dV-V曲线图；

图4为BSNN在不同温度下的光电流驰豫过程图；

图5为光电流驰豫过程的广延指数模型拟合图；

图6为特征时间和暗电流随温度变化关系图；

图7为反映BSNN/FTO界面陷阱能级的分布状态的能带结构图。

具体实施方式

实施例：如图1-7所示，本发明提供了一种界面陷阱能级分布的光电导分析方法的具体实施例，其包括：S1：首先测量待分析介质/电极界面的I-V曲线，并据此研判界面是否具有阻变特性；

S2：然后将阻变界面的I-V曲线转换成dG/dV-V曲线，其中电导G＝I/V，并用于定位界面陷阱能级的加权平均中心位置WCTi；

S3：接着测量阻变界面所涉及介质材料的变温光电导特性，并据此分析介质本身的陷阱能级分布特征；

S4：最后结合肖特基发射阻变模型，由步骤S2和S3所得出的关于陷阱能级分布的一系列特征参数给出界面陷阱能级的分布状态。

在上述技术方案的基础上，进一步包括如下附属技术方案：

上述方案中，待分析的介质/电极界面是利用拓扑转换方法把带有纳米网格结构的Bi₂S₃薄膜(BSNN)制备在FTO衬底上而形成的BSNN/FTO界面，其制作方式为：在FTO基底上采用反应溅射法制备一层200nm厚的BiO_x薄膜，将所得薄膜在空气中400℃退火3小时使之转化为β-Bi₂O₃薄膜，将退火得到的β-Bi₂O₃薄膜置于HCL和硫代乙酰胺的混合溶液中(HCL和硫代乙酰胺的浓度分别为0.4mol/L和0.5mol/L)，在60℃下水浴72小时进行拓扑转换得到BSNN，最后使用导电银胶作为BSNN的欧姆接触；

上述方案中，步骤S1中所述介质/电极界面的I-V曲线是通过Keithley2635测量源表测得，其中具有阻变特征的界面，其I-V曲线呈非对称状，且置位段I-V曲线满足肖特基发射模型：lnI＝A+BV^1/2，A和B为两个拟合参数，其中B>0；

上述方案中，步骤S2中所述界面陷阱能级加权平均中心位置由dG/dV-V曲线定位：由于载流子在陷阱中俘获/释放是引起界面阻态变化的关键原因，故界面陷阱能级加权平均中心位置和置位段dG/dV峰值所在电压值V直接对应，WCT_i＝-e×V；

上述方案中，步骤S3中所述介质材料变温光电导特性的测量方式是：首先在无光照环境下，沿介质层薄膜膜面方向施加电压U，使之产生暗电流I_D，然后用能量大于介质禁带宽度的光照射功能介质层使之产生光电导，相应的膜内电流变为暗电流I_D和光电流I_P之和，待光电流稳定一段时间后撤去光照，并观察光电流驰豫过程。对于陷阱能级分布存在一定宽度的介质膜层材料，其光电流随时间t驰豫的过程符合广延指数律：I_P＝I₀exp[(-t/τ)^β]，其中I_P、t、I₀，β和τ分别是光电流、驰豫时间、指前因子，弥散参数和特征时间。根据不同的温度下测得的光电流驰豫特性，可以得到陷阱能级分布的一系列特征参数：能级分布的宽窄程度，陷阱能级的加权平均中心WCT与介质导带底的相对位置，以及陷阱能级位置的上下限E_TE和E_TD：

a)β(0<β<1)反映陷阱能级分布的宽窄程度：β越接近0，则陷阱能级分布越宽，β越接近1，则陷阱能级分布越窄；

b)特征时间τ随温度的变化满足其中τ₀，k和T分别是特征时间指前因子，玻尔兹曼常数和温度，从中得到它表示介质材料本身陷阱能级的WTC位于导带底E_CB下方,且WTC和E_CB的能量差为

c)陷阱的所有能级都不可能高于导带底，故能级位置的上限E_TD近似为导带底E_CB；

d)暗电流随温度的变化满足其中Ι_D0，k和T分别是暗电流相关的指前因子，玻尔兹曼常数和温度，从中可得它是陷阱能级的下限E_TE。

上述方案中，步骤S4包含以下两个近似处理：

a)由于费米能级的钉扎作用，WCT≈WCT_i，E_TD近似为连续分布界面陷阱的能级下限；

b)连续分布陷阱的能级上限在界面处变为介质材料功函数W_d和电极材料的功函数W_e之差ΔΦ＝W_d-W_e。

至此，可以得到反映界面陷阱能级的分布状态的能带结构图。

参照图2，测量BSNN/FTO界面的I-V曲线，发现该曲线呈非对称状，且置位段曲线满足lnI＝A+BV^1/2，故可判定该界面为一阻变界面。

参考图3，置位段dG/dV的峰值在V＝0.3伏处，故连续分布界面陷阱的加权平均中心为0.3eV。

参考图4，在不同温度下测量BSNN的光电导特性，发现其豫驰过程符合广延指数模型(图5)。β在0.2左右，说明该介质材料中载流子陷阱能级分布较宽；对特征时间和暗电流随温度变化的分析(图6)表明BSNN中连续分布陷阱的加权平均中心位于导带底下0.23eV处，陷阱能级的下限为0.21eV。

利用近似WCT≈WCT_i＝0.3eV以及ΔΦ为1.4eV(BSNN和FTO功函数分别为5.8eV和4.4eV)，得到反映BSNN/FTO界面陷阱能级的分布状态的能带结构图(图7)。

当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种界面陷阱能级分布的光电导分析方法，其特征在于，该方法包括：

S1)首先测量待分析介质/电极界面的I-V曲线，并据此研判该界面是否具有界面阻变特性；

S2)然后把具有界面阻变特性的界面的I-V曲线转换成dG/dV-V曲线，其中电导G＝I/V，从dG/dV-V曲线定位界面陷阱能级的加权平均中心位置WCT_i；

S3)接着测量界面在界面阻变中对应功能介质层本身不同温度下的光电导特性，并据此分析其陷阱能级分布特征；

S4)由肖特基发射阻变模型，结合步骤S2和S3所得出的关于陷阱能级分布的特征参数：能级分布的宽窄程度、陷阱能级的加权平均中心WCT与介质导带底的相对位置、以及陷阱能级位置的上下限E_TE和E_TD，并据此给出界面陷阱能级的分布状态。

2.按权利要求1所述的光电导分析方法，其特征在于，步骤S1中所述界面I-V曲线是由Keithley2635测量源表测得。

3.按权利要求1所述的光电导分析方法，其特征在于，步骤S1中所述界面阻变存在的研判依据是I-V曲线呈非对称状，且置位段I-V曲线满足肖特基发射模型：lnI＝A+BV^1/2，其中A和B为两个拟合参数，其中B>0。

4.按权利要求2所述的光电导分析方法，其特征在于，步骤S2中所述界面陷阱能级的加权平均中心位置是由置位段dG/dV-V曲线的峰值所在电压确定。

5.按权利要求1所述的光电导分析方法，其特征在于，步骤S3中所述介质材料的光电导特性是指其光电流驰豫过程符合广延指数律：I_p＝I₀exp[(-t/τ)^β]，其中I_p、t、I₀、β和τ分别是光电流、驰豫时间、指前因子、弥散参数和特征时间，特征时间τ随温度的变化满足其中τ₀，k和T分别是特征时间指前因子，玻尔兹曼常数和温度，从中得到所述表示介质材料本身陷阱能级的WTC位于导带底E_CB下方,且WTC和E_CB的能量差为能级位置的上限E_TD近似为导带底E_CB；暗电流随温度的变化满足其中Ι_D0，k和T分别是暗电流相关的指前因子，玻尔兹曼常数和温度，从中可得它是陷阱能级的下限E_TE。

6.按权利要求1所述的界面陷阱能级分布的光电导分析方法，其特征在于，步骤S4包含两个近似处理：

a)由于费米能级的钉扎作用，WCT_i≈WCT，E_TE近似为连续分布界面陷阱的能级下限；

b)连续分布陷阱的能级上限在界面处变为介质材料功函数W_d和电极材料的功函数W_e之差ΔΦ＝W_d-W_e。