[发明专利]一种半导体材料表面光电压的测量方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种半导体材料表面光电压的测量方法。

背景技术

为设计或制备光电器件,光电功能材料的光电性能(如表面光电压)表征是非常重要的环节。表面光电压是固体表面的光生伏特效应,是光致电子跃迁的结果。在以往的测量中，表面光电压谱等检测技术在分析半导体材料表(界)面的光生电荷跃迁和转移过程等方面具有一定的优越性。但是,当待检测的光电物理属性具有比较大的弛豫时间,或者很大地依赖于材料的局域能级(实际中,半导体特别是金属氧化物半导体材料,表面/界面能级,缺陷能级,激子能级等总是存在)时,这些方法的时间分辨技术不能有效地表征这类物理属性。例如,通过用脉冲光源作为ZnO的激发光源,用时间分辨光发射谱技术测量ZnO中电子在激发能级中的寿命, 结果只检测到寿命是1000 ps左右的那部分,而寿命更长(如寿命达几十秒甚至数分钟)的部分很难被检测到。这是因为激发电子在激发的局域能级中具有很长的寿命,在复合过程中辐射的光非常微弱。

与上述方法相比,开尔文探针是一种在各种环境条件下(如在不同温度、湿度、气压、真空、液体中)均可使用的仪器,并且其操作简单方便、费用低廉、对待测样品无损伤、不污染样品、灵敏度高( < 5 meV,远高于XPS或Auger电子能谱等方法测量的电子功函数的灵敏度)。因此,开尔文探针方法是检测电子功函数的首选方法。同时, 在检测电子功函数的基础上,我们发现在光照射下可进一步测量半导体材料随时间分辨的光伏行为——表面光电压。

 

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体材料表面光电压的测量方法，该方法是利用开尔文探针测量半导体材料表面的电子功函数在一定频率的光照射前后电子功函数的变化，从而计算得出其表面光电压。该方法是一种无损检测方法，具有操作简单便捷、经济实用、数据精确等优点。

本发明是这样来实现的，其特征在于，包含以下步骤：

（1）将需要测量的半导体样品表面进行清洁处理，去掉表面的污染物和油脂等；

（2）打开开尔文探针系统，调节系统控制参数，使其保持在稳定的工作状态；根据所测半导体材料的能带带隙，调节照射光源的发射光频率和光强；

（3）将半导体样品放置在开尔文探针下，测量样品表面电子功函数；待所测电子功函数保持稳定后，记录下所测电子功函数W₁；打开光源，使光线照射在样品表面，同时测量其电子功函数；待光照射下所测的电子功函数保持稳定后，记录下所测电子功函数W₂；关闭光源，观测所测电子功函数随时间的衰减变化，记录下电子功函数的整个变化过程；

（4）利用公式V_p = W₂ - W₁计算得出半导体材料的表面光电压。

通过测量光照射前后半导体表面电子功函数的变化，计算得出表面光电压。

能够测量各种无机、有机半导体的表面光电压，如各种晶型的硅、碳化硅、砷化镓、氧化锌等。

所测得的半导体材料表面光电压具有很高精度，最小分辨率可达0.1 meV。

当光电效应发生时, 被激发的未复合少数载流子即电子和空穴在空间电场的作用下向相反方向漂移, 同时沿着浓度的梯度方向扩散, 这使得内建电场减少。结果是在界面/表面附近的费米能级不再相等, 即产生电势差, 形成光电压V_p。利用开尔文探针测量光电压, 由振动探针和待测样品构成的耦合电容C_p、光电压V_p、受控偏置电压V_b 可组成一个等效电路。由于光电压V_p不依赖于计算机控制, 可得到包含光电压V_p 的计算式：

Ф_S - Ф_T + eV_p + eV_b0 = 0

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