CN109932356A - 一种半导体载流子类型判断及禁带宽度的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种半导体载流子类型判断及禁带宽度的测量方法，利用开尔文探针法测量非本征半导体材料不同温度下的功函数，得到材料费米能级随温度的变化规律，判断其载流子类型；在此基础上，结合非本征半导体材料功函数随温度变化的关系，分析电子热激发引起的费米能级与导带、价带的相对位置变化关系，求出禁带宽度。本发明测量方法基于半导体能带理论,相比于传统光学带隙测量方法，在准确度大幅提高的同时，也可对非透光半导体材料的禁带宽度进行测量。

Description

一种半导体载流子类型判断及禁带宽度的测量方法

技术领域

本发明涉及半导体材料检测技术领域，尤其涉及一种半导体载流子类型判断及禁带宽度的测量方法。

背景技术

半导体材料的发展是推动半导体科学技术进步的基础和前提。禁带宽度是决定半导体导电特性的一个重要特征参数。该参数的测定在研究半导体材料的晶体结构和能带结构等方面具有重要意义。

半导体材料禁带宽度的测量表征存在许多方法，如光吸收系数法、光电导法和光致发光光谱法等。其中光吸收系数法首先基于光学法测量半导体薄膜的吸收系数α，而后通过Tauc法做(αhν)ⁿ-(hν)曲线的线性部分于横轴截距，存在较大的人为误差；光电导法在测试过程中需进行繁琐的归一化过程；而光致发光光谱法往往只能定性比较样品的禁带宽度。不仅如此，所有以上的测量方法易受到激子吸收或激子发射，本征带与浅杂质之间的吸收或辐射复合等因素影响，给精确测量禁带宽度带来困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体载流子类型判断及禁带宽度的测量方法。

本发明采用的技术方案是：

一种半导体载流子类型判断及禁带宽度的测量方法，其包括以下步骤：

步骤1，将半导体材料均匀设置于导热良好的金属样品台上，并于基底形成良好的欧姆接触，该“材料-基底”即为测量样品；

步骤2，将样品置于配有开尔文探针的真空控温腔内并抽真空，记录样品初始温度T₀，并量测此温度下样品材料的功函数功函数即真空能级E_Ψ与费米能级E_f之差；

步骤3，逐步提高半导体材料温度使之发生热激发，并利用开尔文探针测量获取升温过程中不同温度下样品的功函数；

步骤4，根据非本征半导体材料费米能级和功函数随温度变化图判断样品类型；

当样品功函数随温度升高而减小，则为P型半导体；

当样品功函数随温度升高而增大，则为n型半导体；

步骤5，继续提高半导体材料温度直至开尔文探针所测材料功函数不随温度变化时，获取此时半导体材料发生饱和本征激发时的“饱和温度”T_S；

步骤6，利用升温过程中不同温度下的费米能级位置和“饱和温度”值计算分析得到半导体材料的禁带宽度E_g；具体计算公式为：

其中，k_B为玻尔兹曼常数，T_s为饱和温度，为T_s温度下的费米能级，为0K温度下的费米能级，c为半导体材料性质相关的常数。

进一步地，步骤1中半导体材料为半导体材料薄膜或半导体材料粉末。

进一步地，步骤1中半导体材料在金属样品台的厚度不低于200nm。

进一步地，步骤6中半导体材料性质相关的常数c的计算步骤如下：

步骤6.1，选择10个温度点并获取对应的样品功函数，两两代入公式5分别计算得到多组半导体材料性质相关的常数c，

其中，E_V价带能级，k_B为玻尔兹曼常数，T₁为第一个温度点温度，为T₁温度下的费米能级，为T₁温度下的样品功函数，T₂为第二个温度点温度，为T₂温度下的费米能级，为T₂温度下的样品功函数；

步骤6.2，利用逐差法求出多组半导体材料性质相关的常数c的平均值，并将c的平均值作为该半导体材料性质相关的常数c。

本发明采用以上技术方案，利用在不同温度下非本征半导体费米能级随温度的变化规律分析材料的载流子类型和禁带宽度，有效防止激子吸收或激子发射，本征带与浅杂质之间的吸收或辐射复合等因素的影响；测试计算方案基于半导体能带理论和高精度的实验测量手段，能够有效提高非本征半导体材料禁带宽度测量精度并简化测量程序，其应用效果显著。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；

图1为本发明的开尔文探针力(KPFM)显微镜的原理示意图

图2为本发明的样品测试系统的结构示意图；

图3为本发明的非本征半导体材料费米能级随温度变化的示意图。

具体实施方式

如图1-3之一所示，本发明公开了一种半导体载流子类型判断及禁带宽度的测量方法。该方法通过开尔文探针法测量非本征半导体材料不同温度下的功函数，获取费米能级随温度变化规律。首先测量半导体材料室温的功函数，随后逐步增加材料的温度使之发生热激发，并同时测量功函数的变化，进而得到费米能级移动规律以判断材料的载流子类型；其次，进一步提高温度至材料发生本征激发，此时利用材料从室温至升温发生本征激发过程的不同温度下的费米能级位置，根据推导公式，计算半导体材料材料禁带宽度。本发明从理论与实验测试角度对非本征半导体材料费米能级随温度的变化规律进行测试分析，判断半导体材料的载流子类型，并求出准确的禁带宽度。本发明方法对测量技术进行了严格的计算分析，使带隙的准确程度大幅提升。本发明的一种半导体载流子类型判断及禁带宽度的测量方法，其包括以下步骤：

步骤1，将半导体材料均匀设置于导热良好的金属样品台上，并于基底形成良好的欧姆接触，该“材料-基底”即为测量样品；具体地，步骤1中半导体材料为半导体材料薄膜或半导体材料粉末。进一步地，步骤1中半导体材料在金属样品台的厚度不低于200nm。

步骤2，将样品置于配有开尔文探针的真空控温腔内并抽真空，记录样品初始温度T₀，并量测此温度下样品材料的功函数功函数即真空能级E_Ψ与费米能级E_f之差；

步骤3，逐步提高半导体材料温度使之发生热激发，并利用开尔文探针测量获取升温过程中不同温度T₁，T₂，T₃……下样品的功函数

步骤4，根据非本征半导体材料费米能级和功函数随温度变化图判断样品类型；

当样品功函数随温度升高而减小则为P型半导体；

当样品功函数随温度升高而增大则为n型半导体；

步骤5，继续提高半导体材料温度直至开尔文探针所测材料功函数不随温度变化时，获取此时半导体材料发生饱和本征激发(E_f＝E_i)时的“饱和温度”T_S；

步骤6，利用升温过程中不同温度下的费米能级位置和“饱和温度”值计算分析得到半导体材料的禁带宽度E_g，计算公式为：

其中，k_B为玻尔兹曼常数，T_s为饱和温度，为T_s温度下的费米能级，为0K温度下的费米能级，c为半导体材料性质相关的常数。

具体地，禁带宽度E_g具体推导过程及计算公式如下：

如图3所示，以P型半导体为例，我们定义T_d为“电离温度”，k_BT_d＝ε_d，ε_d是受主能级的结合能。

1)当0K<T<<T_d时，材料处于弱电离状态，杂质能级几乎没有电子，所以费米能级处于价带能级与受主能级之间(E_v<E_f<E_a)。此时：

其中，k_B玻尔兹曼常数，N_a和N_V分别为受主能级和价带能级态密度。特别是当温度T≈0K时，费米能级处于价带顶(E_v)和受主能级(E_a)之间的位置，即：

2)然而，如果T增大到可以和T_d相比拟的时候。大部分受主能级被热激发的电子所占据，从而E_f处于E_a上方。随着温度的继续增大，材料处于强电离状态，本征载流子进一步被激发，结果导致费米能级E_f随着温度的升高缓慢提高。此时：

对于确定的半导体材料，N_a为确定值，N_V正比于T^3/2，则公式(3)可改写为：

其中c为与半导体材料性质相关的常数。选择T₁、T₂及所对应的代入公式(4)整理得方程组：

由这个方程可求出c值，选取10个温度点，利用逐差法可求出c的平均值。

3)当温度达到足够高的时候T≈T_s，本征载流子浓度远远大于受主杂质，费米能级E_f接近禁带中央，材料处于饱和本征激发态E_f≈E_i。材料费米能级从0K至T_s温度过程中功函数(费米能级)变化量即为禁带宽度的一半，由公式(4)－(2)可得：

代入c和“饱和温度”T_s的值，即可求出禁带宽度E_g。对于N型半导体也可以推导出相同的计算方法。

实施例1

下面以CuO薄膜半导体材料的禁带宽度测量为例来说明本发明。其具体步骤如下：

S₁：将的CuO薄膜半导体材料用热导胶固定于铜加热台上，并用银浆将其表面与样品台粘接导通。将配有开尔文探针的真空测试腔抽真空至6.0×10^-4Pa以隔绝加热台向开尔文参比探针的热传递。同时测量记录此时材料的温度298K的功函数5.30eV。

S₂：对样品进行加热使材料发生热激发，并同时每隔5K进行功函数测量。测量结果表明材料功函数随温度增大而减小，即在热激发过程中，材料的费米能级逐渐升高，这与p型半导体材料费米能级随温度变化规律一致。故据此变化规律可判断所制备的CuO薄膜半导体材料为空穴型半导体。

S₃：继续增大样品温度并同时监测功函数变化，当样品温度为343K时，观测到继续增大样品温度，功函数保持稳定，即此时材料发生本征激发，费米能级到达禁带中央。

S₄：选取升温过程中的10个数据点的功函数值及对应的温度值，利用方程式(5)计算c≈-1.34×10^-16，同时将“饱和温度”T_s＝343K代入公式(6)，计算可得所测CuO薄膜半导体材料禁带宽度E_g＝1.67eV。测量结果与文献报道十分吻合。

实施例2

以零带隙铅钯氧P型半导体薄膜为研究对象，采用与实施例1相同测试步骤，所测试费米能级变化呈现空穴载流子特征，且禁带宽度为0.34eV，与文献报道相近。

实施例3

以N型单晶硅为研究对象，采用与实施例1相同测试步骤，测试结果表明费米能级随温度增大而降低，材料呈现N型半导体特性，且禁带宽度为1.23eV，测试结果较为精确。

本发明采用以上技术方案，利用在不同温度下非本征半导体费米能级随温度的变化规律分析材料的载流子类型和禁带宽度，有效防止激子吸收或激子发射，本征带与浅杂质之间的吸收或辐射复合等因素的影响；测试计算方案基于半导体能带理论和高精度的实验测量手段，能够有效提高非本征半导体材料禁带宽度测量精度并简化测量程序，其应用效果显著。

以上所述的具体实施例是对本发明进行了进一步详细说明，并不用于限制本领域技术人员在本发明的精神和原则之内做变化，当基于本发明的精神和原则的基础上所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种半导体载流子类型判断及禁带宽度的测量方法，其特征在于：其包括以下步骤：

步骤1，将半导体材料均匀设置于导热良好的金属样品台上，并于基底形成良好的欧姆接触，该“材料-基底”即为测量样品；

步骤2，将样品置于配有开尔文探针的真空控温腔内并抽真空，记录样品初始温度T₀，并量测此温度下样品材料的功函数功函数即真空能级E_Ψ与费米能级E_f之差；

步骤3，逐步提高半导体材料温度使之发生热激发，并利用开尔文探针测量获取升温过程中不同温度下样品的功函数；

步骤4，根据非本征半导体材料费米能级和功函数随温度变化图判断样品类型；

当样品功函数随温度升高而减小，则为P型半导体；

当样品功函数随温度升高而增大，则为n型半导体；

步骤5，继续提高半导体材料温度直至开尔文探针所测材料功函数不随温度变化时，获取此时半导体材料发生饱和本征激发时的“饱和温度”T_S；

步骤6，利用升温过程中不同温度下的费米能级位置和“饱和温度”值计算分析得到半导体材料的禁带宽度E_g；具体计算公式为：

其中，k_B为玻尔兹曼常数，T_s为饱和温度，为T_s温度下的费米能级，为0K温度下的费米能级，c为半导体材料性质相关的常数。

2.根据权利要求1所述的一种半导体载流子类型判断及禁带宽度的测量方法，其特征在于：，步骤1中半导体材料为半导体材料薄膜或半导体材料粉末。

3.根据权利要求1所述的一种半导体载流子类型判断及禁带宽度的测量方法，其特征在于：步骤1中半导体材料在金属样品台的厚度不低于200nm。

4.根据权利要求1所述的一种半导体载流子类型判断及禁带宽度的测量方法，其特征在于：步骤6中半导体材料性质相关的常数c的计算步骤如下：

步骤6.1，选择10个温度点并获取对应的样品功函数，两两代入公式5分别计算得到多组半导体材料性质相关的常数c，

其中，E_V价带能级，k_B为玻尔兹曼常数，T₁为第一个温度点温度，为T₁温度下的费米能级，为T₁温度下的样品功函数，T₂为第二个温度点温度，为T₂温度下的费米能级，为T₂温度下的样品功函数；

步骤6.2，利用逐差法求出多组半导体材料性质相关的常数c的平均值，并将c的平均值作为该半导体材料性质相关的常数c。