CN108196178A - 一种表面陷阱能级分布的测量装置及光电导分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于陷阱能级分布测量领域，提供一种表面陷阱能级分布测试装置及光电导分析方法，用以实现样品表面陷阱能级分布测量。本发明测试装置，包括真空恒温腔体、真空泵、温度控制系统、固体激光器、数字电压电流源表及计算机；通过数字电压电流源表在待测样品两端施加一个恒定的预设电压，测量得到暗电流；然后，开始光电导测试，测量得到光电衰减曲线；最后根据光电导衰减曲线计算样品表面陷阱能级分布。本发明中恒温腔体提供一个黑暗、恒温的真空环境，使整个测量过程中有效避免温度、气氛和外界光源的干扰，大大提高测量精度；同时采用亚禁带激光激发得到的光电导曲线，能够准确反应禁带内缺陷分布，排除本征缺陷的影响。

Description

一种表面陷阱能级分布的测量装置及光电导分析方法

技术领域

本发明属于陷阱能级分布测量领域，具体涉及一种表面陷阱能级分布测试装置及光电导分析方法。

背景技术

随着工业化的发展和科技的进步，过渡金属氧化物材料在半导体产业中有着十分重要的地位。材料的物理性能与表面结构密切相关，表面结构的变化必然引起材料物理性能的改变，在材料的表面引入缺陷可以显著的改善材料的物理性能；而过渡族金属氧化物具有结构与价态的多样性，对缺陷的引入有很大的包容性，因此成为表面改性的主要研究对象。离子注入是表面改性常用的一种方法，而低能离子轰击具有渗透深度小，可控程度高以及操作简单的优点；低能离子轰击在材料表面引入缺陷，从而改变材料的物理性能，从而应用于压电转换器，易失存储器和高电子迁移率晶体管器件等。

目前，探测缺陷分布的方法主要有深能级瞬态谱、热激电流谱、热激电容谱和热电效应谱，这几种电学探测缺陷的方法能够较好的得到缺陷的信息，但是它们的不足在于需要在测试区域表面覆盖一个电极用于测量，从而失去了继续改性或者加工为器件的可能性。

光激发现象也是探索半导体缺陷分布的有效手段，通过非接触的方式测量材料表面陷阱能级分布，测试电极在表面沟道的两端，测量之后还可以继续改性或者集成器件。如公开号为：CN 104714165 B、发明名称为：界面陷阱能级分布的光电导分析方法的发明专利中公开了一种界面陷阱能级分布的光电导分析方法，该发明基于肖特基结构，采用大于禁带宽度能量的激光照射被测样品，在大气环境下的测试，适用于两种材料的界面；然而，针对材料表面陷阱能级分布的测量则不能在大气的环境中进行，因为样品表面的气体吸附会影响测量的准确性；并且，材料的单一表面无法形成肖特基势垒接触，使得该方法不能准确反映样品表面的信息，不再适用。基于此，本发明提供一种表面陷阱能级分布测试装置及光电导分析方法。

发明内容

本发明的目的在于针对以上技术背景存在的不足，提出一种在真空黑暗环境中用光子能量小于样品禁带宽度的激光激发测量表面陷阱能级分布的装置及光电导分析表面陷阱能级分布的方法；本发明能够在不同温度下测量样品表面陷阱能级分布，真空黑暗环境测量能够有效的避免表面气体吸附和外界光源对测量的影响，采用光子能量小于样品禁带宽度的激光激发能够避免本征激发对结果的分析、从而准确的分析表面陷阱能级在禁带内的分布。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种表面陷阱能级分布测试装置，包括真空恒温腔体、真空泵、温度控制系统、固体激光器、数字电压电流源表及计算机；其特征在于，所述真空恒温腔体内形成黑暗环境、并设置有用于放置待测样品的样品台；所述真空泵用于真空恒温腔体抽真空；所述温度控制系统用于调节待测样品温度；所述固体激光器用于提供光子能量小于样品禁带宽度的激光、通过光纤传输照射待测样品表面；所述数字电压电流源表用于提供恒定电压源、通过探针施加于待测样品，并测量待测样品两探针之间的电流值；所述计算机用于采集待测样品两探针之间的电流值、并进行数据处理后输出测试结果。

基于上述表面陷阱能级分布测试装置的光电导分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.将待测样品放置与真空恒温腔体的样品台上，所述待测样品表面沟道两端分别设置有测试电极、且测试电极与待测样品表面形成欧模接触；调节探针和光钎的位置，使探针压于测试电极上、激光源照射于待测样品表面沟道中央位置；最后将真空恒温腔体抽真空，并通过温度控制系统使待测样品温度恒定于预设温度T；

步骤2.通过数字电压电流源表在待测样品两端施加一个恒定的预设电压V(0.1V-10V)，测量得到暗电流I_d；然后，开始光电导测试：保持待测样品两端施加施加预设电压不变，采用光子能量小于样品禁带宽度的激光照射待测样品表面预设时长，测量得到光电衰减曲线σ_ph(t)：

其中，t表示时间，I(t)表示照光之后的电流；

步骤3.根据光电导衰减曲线σ_ph(t)计算样品表面陷阱能级分布；

光电导衰减曲线σ_ph(t)与陷阱能级密度分布N_T(E_i)及其对应能级E_i的关系为：

其中，表示陷阱能级密度的高斯分布函数；E_i表示陷阱能级位置；N_i表示各个陷阱能级的缺陷密度；ω_i表示各个能级位置的能级宽度；表示贡献于光电流衰减特性的第i个陷阱能级的能级位置；s是陷阱空穴的逃逸频率；k是玻尔兹曼常数，e表示电子电荷量，μ表示迁移率。

进一步需要说明的是，本发明中，所有的测量过程中，电流随时间的变化均由计算机自动采集，最小采样间隔100ms；其中涉及到的预设温度T、预设电压V及预设时长均由具体的测量需求确定。步骤2中，光电导衰减时间不小于1000s。另外，本发明还可以通过温度控制系统实现待测样品在各个温度下的测试。

需要说明的是：步骤4中光电导的测试在真空黑暗的环境中进行的，避免了气体吸附和外界光源的影响。

本发明的有益效果在于：

1.本发明提供测量装置中，能够实现样品表面陷阱能级分布测量；并且恒温腔体提供一个黑暗、恒温的真空环境，使整个测量过程中有效避免温度、气氛和外界光源的干扰，大大提高测量精度；

2.本发明中采用亚禁带激光激发得到的光电导曲线，能够准确反应禁带内缺陷分布，排除本征缺陷的影响；直接获得样品表面陷阱能级的准连续分布特性；能够得到表面陷阱能级密度分布函数与能级的定量关系。

附图说明

图1为本发明实施例中表面陷阱能级分布测试装置的结构原理图，其中，1为氮气瓶、2为杜瓦罐、3为传输线、4为真空泵、5为固体激光器、6为光纤、7为光学观察窗口、8为真空恒温腔体、9为探针、10为温度控制仪、11为数字电压电流源表、12为计算机。

图2为本发明实施例中氩离子轰击钛酸锶单晶(110)表面的变温光电导衰减曲线图，黑色曲线是用公式(8)拟合曲线。

图3为本发明实施例中氩离子轰击钛酸锶单晶表面的陷阱能级分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明做进一步的详细说明：

本发明提供一种表面陷阱能级分布测试装置，其测试温度范围为80-400K，温度控制精确，温差小于0.05K；电流测试精度为pA；在本实施例中，其结构原理图如图1所示，包括真空恒温腔体、真空泵、温度控制系统、固体激光器、数字电压电流源表及计算机，需要另外说明的是，真空恒温腔体的顶端还设置有可以打开的光学观察窗口、以便于实验操作观察，所述温度控制系统包括设置于样品台下的温度控制仪，以及氮气瓶、杜瓦罐及传输线构成的液氮传输装置；在测试过程中，用温度控制仪控制温度，通过传输线调节液氮流量，协同作用使待测样品温度保持恒定。

本实施例中，所用待测样品是氩离子轰击后的钛酸锶单晶，样品表面沟道两端分别设置有测试电极、且测试电极与待测样品表面形成欧姆接触；固态激光器的激光波长为405nm，光子能量为3.06eV，略小于钛酸锶单晶的间接禁带宽度3.25eV；所用的测试源表是Keithley2636B数字电压电流源表，温度控制仪型号是Lakeshore 336，探针型号是Lakeshore ZN50；具体测量步骤如下：

步骤1.将钛酸锶样品放置在真空恒温腔体的样品台上，然后通过光学观察窗调节探针和光纤的位置，使探针压在样品表面两端的金属电极上，让激光光斑照射在表面沟道的中央位置；然后打开真空泵，抽取真空到1*10^-5Pa以下；并通过温度控制系统使待测样品温度恒定(温差小于0.05K即视为恒定)于预设温度T，本实施例中采用设置为100K、200K、300K三个对照组；

步骤2.用Keithley2636B数字电压电流源表在样品两端持续施加一个恒定的电压0.5V，测量并记录电流随时间变化的趋势，电流随时间的变化由计算机自动采集，采样间隔最小为100ms，得到电流时间曲线；当电流随时间的变化趋于稳定，即为暗电流I_d；开始光电导的测量，打开固体激光器，使光子能量小于样品禁带宽度的激光照射待测样品表面预设时长后关闭激光器，由计算机自动采集得到光照后电流时间曲线I(t)，从而测量得到光电衰减曲线σ_ph(t)；本实施例中，不同温度下光照时间相同，光电导衰减时间不小于1000s；得到的光电导衰减曲线如图2所示；

步骤3.利用测量得到的变温光电导衰减曲线推算样品表面陷阱能级分布，如图3所示。

本发明的工作原理为：在恒定温度的真空无光环境下，在两个探针上施加电压0.5V，使之产生暗电流I_d，用亚禁带激光照射样品使之产生光电导，相应的测试电流I(t)变为暗电流I_d和光电流I_ph(t)的和，则光电流为：

I_ph(t)＝I(t)-I_d (1)

那么光电导为：

其中，V是两个探针之间的电压降；光电导也可以表示为：

σ_ph(t)＝Δn(t)eμ (3)

所以光生载流子浓度：

其中，e是电子电荷量，μ是迁移率，由霍尔效应测试得到；对于光子能量小于样品禁带宽度的激光光激发过程，光电导衰减的速率方程如下：

用关光之后的完全饱和的空穴陷阱产生的电子浓度代替N_T(E)可以得到

空穴陷阱能级因存在与价带到Eg/2之间，其占据态应该是离散的，因此用一个多项式表示陷阱能级的分布，令高斯函数：

其中，N_i表示各个陷阱能级的缺陷密度，ω_i代表了各个能级位置的能级宽度，E_ti表示贡献于光电流衰减特性的第i个陷阱能级的能级位置；

将公式(4)、(5)和(6)联立即可以得到陷阱能级密度分布函数N_T(E_i)与能级E_i的关系：

基于变温光电导测试得到的表面陷阱能级密度分布函数N_T(E_i)与能级E_i的关系为

其中，N_T(E_i)是陷阱能级密度分布函数；E_i是陷阱能级位置；N_i表示各个陷阱能级的缺陷密度；ω_i代表了各个能级位置的能级宽度；E_ti表示贡献于光电流衰减特性的第i个陷阱能级的能级位置；s是陷阱空穴的逃逸频率；k是玻尔兹曼常数；T是实验温度；t是时间；I(t)是照光之后的电流；I_d是照光之前的电流；V是两探针之间的电压降；e是电子电荷量；μ是迁移率；上式中也可表示为：

利用上式即可计算得到图2中各温度点光电导衰减所对应的陷阱能级准连续分布，如图3所示；可以发现，不同温度点呈现类似于高斯分布的有效陷阱态(复合中心)分布特性，其深能级陷阱中心位置随着温度的降低向价带边缘移动，陷阱密度增大，分布变窄。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.一种表面陷阱能级分布测试装置，包括真空恒温腔体、真空泵、温度控制系统、固体激光器、数字电压电流源表及计算机；其特征在于，所述真空恒温腔体内部设置有用于放置待测样品的样品台；所述真空泵用于真空恒温腔体抽真空；所述温度控制系统用于调节待测样品温度；所述固体激光器用于提供光子能量小于待测样品禁带宽度的激光源、通过光纤传输照射待测样品表面；所述数字电压电流源表用于提供恒定电压源、通过探针施加于待测样品，并测量待测样品两探针之间的电流值；所述计算机用于采集电流值、并进行数据处理后输出测试结果。

2.基于表面陷阱能级分布测试装置的光电导分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.将待测样品放置与真空恒温腔体的样品台上，所述待测样品表面沟道两端分别设置有测试电极、且测试电极与待测样品表面形成欧姆接触；调节探针和光纤的位置，使探针压于测试电极上、激光源照射于待测样品表面沟道中央位置；最后将真空恒温腔体抽真空，并通过温度控制系统使待测样品温度恒定于预设温度T；

步骤2.通过数字电压电流源表在待测样品两端施加一个恒定的预设电压V，测量得到暗电流I_d；然后，开始光电导测试：保持待测样品两端施加施加预设电压不变，采用光子能量小于样品禁带宽度的激光照射待测样品表面预设时长，测量得到光电衰减曲线σ_ph(t)：

其中，t表示时间，I(t)表示照光之后的电流；

步骤3.根据光电导衰减曲线σ_ph(t)计算样品表面陷阱能级分布；

光电导衰减曲线σ_ph(t)与陷阱能级密度分布N_T(E_i)及其对应能级E_i的关系为：

其中，表示陷阱能级密度的高斯分布函数；E_i表示陷阱能级位置；N_i表示各个陷阱能级的缺陷密度；ω_i表示各个能级位置的能级宽度；表示贡献于光电流衰减特性的第i个陷阱能级的能级位置；s是陷阱空穴的逃逸频率；k是玻尔兹曼常数，e表示电子电荷量，μ表示迁移率。