[發(fā)明專利]一種半導(dǎo)體材料表面光電壓的測(cè)量方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210164886.4
• 申請(qǐng)日: 2012-05-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102662096A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-09-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 薛名山;李文;王法軍;歐軍飛;吳海南
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南昌航空大學(xué)
• 主分類號(hào): G01R19/00
• 分類號(hào): G01R19/00
• 代理公司: 南昌洪達(dá)專利事務(wù)所 36111
• 代理人: 劉凌峰

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種半導(dǎo)體材料表面光電壓的測(cè)量方法。

背景技術(shù)

為設(shè)計(jì)或制備光電器件,光電功能材料的光電性能(如表面光電壓)表征是非常重要的環(huán)節(jié)。表面光電壓是固體表面的光生伏特效應(yīng),是光致電子躍遷的結(jié)果。在以往的測(cè)量中，表面光電壓譜等檢測(cè)技術(shù)在分析半導(dǎo)體材料表(界)面的光生電荷躍遷和轉(zhuǎn)移過(guò)程等方面具有一定的優(yōu)越性。但是,當(dāng)待檢測(cè)的光電物理屬性具有比較大的弛豫時(shí)間,或者很大地依賴于材料的局域能級(jí)(實(shí)際中,半導(dǎo)體特別是金屬氧化物半導(dǎo)體材料,表面/界面能級(jí),缺陷能級(jí),激子能級(jí)等總是存在)時(shí),這些方法的時(shí)間分辨技術(shù)不能有效地表征這類物理屬性。例如,通過(guò)用脈沖光源作為ZnO的激發(fā)光源,用時(shí)間分辨光發(fā)射譜技術(shù)測(cè)量ZnO中電子在激發(fā)能級(jí)中的壽命,?結(jié)果只檢測(cè)到壽命是1000?ps左右的那部分,而壽命更長(zhǎng)(如壽命達(dá)幾十秒甚至數(shù)分鐘)的部分很難被檢測(cè)到。這是因?yàn)榧ぐl(fā)電子在激發(fā)的局域能級(jí)中具有很長(zhǎng)的壽命,在復(fù)合過(guò)程中輻射的光非常微弱。

與上述方法相比,開(kāi)爾文探針是一種在各種環(huán)境條件下(如在不同溫度、濕度、氣壓、真空、液體中)均可使用的儀器,并且其操作簡(jiǎn)單方便、費(fèi)用低廉、對(duì)待測(cè)樣品無(wú)損傷、不污染樣品、靈敏度高(?<?5?meV,遠(yuǎn)高于XPS或Auger電子能譜等方法測(cè)量的電子功函數(shù)的靈敏度)。因此,開(kāi)爾文探針?lè)椒ㄊ菣z測(cè)電子功函數(shù)的首選方法。同時(shí),?在檢測(cè)電子功函數(shù)的基礎(chǔ)上,我們發(fā)現(xiàn)在光照射下可進(jìn)一步測(cè)量半導(dǎo)體材料隨時(shí)間分辨的光伏行為——表面光電壓。

?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種半導(dǎo)體材料表面光電壓的測(cè)量方法，該方法是利用開(kāi)爾文探針測(cè)量半導(dǎo)體材料表面的電子功函數(shù)在一定頻率的光照射前后電子功函數(shù)的變化，從而計(jì)算得出其表面光電壓。該方法是一種無(wú)損檢測(cè)方法，具有操作簡(jiǎn)單便捷、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、數(shù)據(jù)精確等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明是這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其特征在于，包含以下步驟：

（1）將需要測(cè)量的半導(dǎo)體樣品表面進(jìn)行清潔處理，去掉表面的污染物和油脂等；

（2）打開(kāi)開(kāi)爾文探針系統(tǒng)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制參數(shù)，使其保持在穩(wěn)定的工作狀態(tài)；根據(jù)所測(cè)半導(dǎo)體材料的能帶帶隙，調(diào)節(jié)照射光源的發(fā)射光頻率和光強(qiáng)；

（3）將半導(dǎo)體樣品放置在開(kāi)爾文探針下，測(cè)量樣品表面電子功函數(shù)；待所測(cè)電子功函數(shù)保持穩(wěn)定后，記錄下所測(cè)電子功函數(shù)W₁；打開(kāi)光源，使光線照射在樣品表面，同時(shí)測(cè)量其電子功函數(shù)；待光照射下所測(cè)的電子功函數(shù)保持穩(wěn)定后，記錄下所測(cè)電子功函數(shù)W₂；關(guān)閉光源，觀測(cè)所測(cè)電子功函數(shù)隨時(shí)間的衰減變化，記錄下電子功函數(shù)的整個(gè)變化過(guò)程；

（4）利用公式V_p?=?W_2?-?W₁計(jì)算得出半導(dǎo)體材料的表面光電壓。

通過(guò)測(cè)量光照射前后半導(dǎo)體表面電子功函數(shù)的變化，計(jì)算得出表面光電壓。

能夠測(cè)量各種無(wú)機(jī)、有機(jī)半導(dǎo)體的表面光電壓，如各種晶型的硅、碳化硅、砷化鎵、氧化鋅等。

所測(cè)得的半導(dǎo)體材料表面光電壓具有很高精度，最小分辨率可達(dá)0.1?meV。

當(dāng)光電效應(yīng)發(fā)生時(shí),?被激發(fā)的未復(fù)合少數(shù)載流子即電子和空穴在空間電場(chǎng)的作用下向相反方向漂移,?同時(shí)沿著濃度的梯度方向擴(kuò)散,?這使得內(nèi)建電場(chǎng)減少。結(jié)果是在界面/表面附近的費(fèi)米能級(jí)不再相等,?即產(chǎn)生電勢(shì)差,?形成光電壓V_p。利用開(kāi)爾文探針測(cè)量光電壓,?由振動(dòng)探針和待測(cè)樣品構(gòu)成的耦合電容C_p、光電壓V_p、受控偏置電壓V_b?可組成一個(gè)等效電路。由于光電壓V_p不依賴于計(jì)算機(jī)控制,?可得到包含光電壓V_p?的計(jì)算式：

Ф_S?-?Ф_T?+?eV_p?+?eV_b0?=?0

即???????????????????????V_p?=?-V_b0?-?(Ф_S?-?Ф_T)/e