[發明專利]一種半導體材料表面能級能帶調控的方法

有效

• 申請號: 201910025421.2
• 申請日: 2019-01-11
• 公開（公告）號: CN109786242B
• 公開（公告）日: 2021-08-06
• 發明（設計）人: 熊杰;孫浩軒;晏超貽;杜新川;黃建文;鄔春陽;戴麗萍
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L21/322
• 分類號: H01L21/322;H01J37/32
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 吳姍霖

本發明提供一種半導體材料表面能級能帶調控的方法，屬于半導體材料技術領域。本發明方法基于氧等離子體處理，能夠在不影響半導體材料本身透光率與導電率的前提下實現對其表面化學組分、缺陷態密度和能級能帶的連續控制，減少界面載流子背復合的發生。本發明設計的等離子表面處理工藝，以射頻放電為等離子體激發手段，以氧等離子體來處理半導體材料，利用射頻等離子體低宏觀溫度、高粒子能量，以及氧原子半徑與半導體材料原子半徑極為接近的特點，實現選擇性地去除材料表面的原子摻雜，并通過功率與處理時間等參數的優化，制備表面能級能帶可連續調控的半導體材料。

技術領域

本發明屬于半導體材料技術領域，具體涉及一種半導體材料表面能級能帶調控的方法。

背景技術

半導體材料因其在光、熱、磁、電等領域有著獨特的半導體性質而受到廣泛的應用，基于半導體材料制備的各種半導體器件也應用于生活的方方面面，如TiO2材料用于光催化領域，GaAs材料用于微電子器件，GaN用于光電子器件等。半導體材料雖然種類繁多但有一些固有的特性，稱為半導體材料的特征參數，因為不同的用途所需要的材料特性不同，因此這一參數對于材料應用甚為重要。常用的半導體材料的特征參數有：禁帶寬度、電阻率、載流子遷移率和缺陷態密度等，其中，禁帶寬度由半導體的電子態、原子態組成，反映組成這種材料的原子中價電子從束縛狀態激發到自由狀態所需的能量，對于不同的器件，如晶體管，禁帶寬度越大，晶體管正常工作的高溫限也越高；而光電器件中，為了得到高的光轉換效率，要求材料有適中的禁帶寬度。禁帶寬度的大小主要決定于半導體材料的能帶結構，因此目前有許多研究致力于調節材料的能級能帶。

目前，常用的調控能級能帶的方法有摻雜、半導體復合、應力調節和表面修飾等。其中，摻雜是通過摻雜元素在半導體禁帶中間引入雜質能級，通過摻入不同元素和元素的量來改變雜質能級的位置從而調控能級能帶，但摻雜后的材料會帶來其他性質的下降，如熱穩定性和結晶質量，以TiO2為例，摻雜后的樣品雖然在可見光區域有了一定的光催化活性，但是在紫外光下的活性反而降低了。過度摻雜帶來的過高的缺陷態濃度，提供了大量的復合中心使得器件背復合過高從而大大降低了光電器件的性能(Zhao P,et al.ACSapplied materialsinterfaces,2018,10(12):10132-10140.)。半導體復合是將兩種半導體復合在一起，例如具有窄帶能隙的半導體有較寬的光譜響應，但復合時材料的選擇需要考慮二者禁帶寬度的相對大小以及能帶位置。對材料施加應力，使材料的晶格發生變形從而使得帶隙呈現明顯變化，如朱國安等人研究了二維半導體材料通過控制層數來調節帶隙，在壓縮應力作用下，某些層數的材料有從間接帶隙到直接帶隙的轉變，但應力對材料能帶的調控力度有限。表面修飾是利用材料本身具有很大的比表面積和很強的吸附能力，將其置于富含吸附物的空間中使其吸附大量的吸附物，改變材料的電子結構，調節能隙大小，但容易引入新的雜質。

因此尋求一種方案能既夠調節半導體材料的能級能帶使其有合適的禁帶寬度并且不影響材料的其他主要特征參數是十分迫切的。

發明內容：

本發明的目的在于，針對背景技術中半導體材料在其他調控方式下帶來的特征參數不能兼顧、調控力度較小和帶來雜質引入的問題，提出了一種半導體材料表面能級能帶調控的方法。本發明方法基于氧等離子體處理，能夠在不影響半導體材料本身透光率與導電率的前提下實現對其表面化學組分、缺陷態密度和能級能帶的連續控制，減少界面載流子背復合的發生。

本發明設計的等離子表面處理工藝，以射頻放電為等離子體激發手段，以氧等離子體來處理半導體材料，利用射頻等離子體低宏觀溫度、高粒子能量，以及氧原子半徑與半導體材料原子半徑極為接近的特點，實現選擇性地去除材料表面的原子摻雜，并通過功率與處理時間等參數的優化，制備表面能級能帶可連續調控的半導體材料。

為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種半導體材料表面能級能帶調控的方法，包括以下步驟：

步驟1.將半導體材料依次置于丙酮、無水乙醇和水中超聲清洗，烘干備用；