[发明专利]一种半导体材料表面能级能带调控的方法

说明书

本发明提供一种半导体材料表面能级能带调控的方法，属于半导体材料技术领域。本发明方法基于氧等离子体处理，能够在不影响半导体材料本身透光率与导电率的前提下实现对其表面化学组分、缺陷态密度和能级能带的连续控制，减少界面载流子背复合的发生。本发明设计的等离子表面处理工艺，以射频放电为等离子体激发手段，以氧等离子体来处理半导体材料，利用射频等离子体低宏观温度、高粒子能量，以及氧原子半径与半导体材料原子半径极为接近的特点，实现选择性地去除材料表面的原子掺杂，并通过功率与处理时间等参数的优化，制备表面能级能带可连续调控的半导体材料。

技术领域

本发明属于半导体材料技术领域，具体涉及一种半导体材料表面能级能带调控的方法。

背景技术

半导体材料因其在光、热、磁、电等领域有着独特的半导体性质而受到广泛的应用，基于半导体材料制备的各种半导体器件也应用于生活的方方面面，如TiO2材料用于光催化领域，GaAs材料用于微电子器件，GaN用于光电子器件等。半导体材料虽然种类繁多但有一些固有的特性，称为半导体材料的特征参数，因为不同的用途所需要的材料特性不同，因此这一参数对于材料应用甚为重要。常用的半导体材料的特征参数有：禁带宽度、电阻率、载流子迁移率和缺陷态密度等，其中，禁带宽度由半导体的电子态、原子态组成，反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量，对于不同的器件，如晶体管，禁带宽度越大，晶体管正常工作的高温限也越高；而光电器件中，为了得到高的光转换效率，要求材料有适中的禁带宽度。禁带宽度的大小主要决定于半导体材料的能带结构，因此目前有许多研究致力于调节材料的能级能带。

目前，常用的调控能级能带的方法有掺杂、半导体复合、应力调节和表面修饰等。其中，掺杂是通过掺杂元素在半导体禁带中间引入杂质能级，通过掺入不同元素和元素的量来改变杂质能级的位置从而调控能级能带，但掺杂后的材料会带来其他性质的下降，如热稳定性和结晶质量，以TiO2为例，掺杂后的样品虽然在可见光区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。过度掺杂带来的过高的缺陷态浓度，提供了大量的复合中心使得器件背复合过高从而大大降低了光电器件的性能(Zhao P,et al.ACSapplied materialsinterfaces,2018,10(12):10132-10140.)。半导体复合是将两种半导体复合在一起，例如具有窄带能隙的半导体有较宽的光谱响应，但复合时材料的选择需要考虑二者禁带宽度的相对大小以及能带位置。对材料施加应力，使材料的晶格发生变形从而使得带隙呈现明显变化，如朱国安等人研究了二维半导体材料通过控制层数来调节带隙，在压缩应力作用下，某些层数的材料有从间接带隙到直接带隙的转变，但应力对材料能带的调控力度有限。表面修饰是利用材料本身具有很大的比表面积和很强的吸附能力，将其置于富含吸附物的空间中使其吸附大量的吸附物，改变材料的电子结构，调节能隙大小，但容易引入新的杂质。

因此寻求一种方案能既够调节半导体材料的能级能带使其有合适的禁带宽度并且不影响材料的其他主要特征参数是十分迫切的。

发明内容：

本发明的目的在于，针对背景技术中半导体材料在其他调控方式下带来的特征参数不能兼顾、调控力度较小和带来杂质引入的问题，提出了一种半导体材料表面能级能带调控的方法。本发明方法基于氧等离子体处理，能够在不影响半导体材料本身透光率与导电率的前提下实现对其表面化学组分、缺陷态密度和能级能带的连续控制，减少界面载流子背复合的发生。

本发明设计的等离子表面处理工艺，以射频放电为等离子体激发手段，以氧等离子体来处理半导体材料，利用射频等离子体低宏观温度、高粒子能量，以及氧原子半径与半导体材料原子半径极为接近的特点，实现选择性地去除材料表面的原子掺杂，并通过功率与处理时间等参数的优化，制备表面能级能带可连续调控的半导体材料。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种半导体材料表面能级能带调控的方法，包括以下步骤：

步骤1.将半导体材料依次置于丙酮、无水乙醇和水中超声清洗，烘干备用；