表面光電壓譜測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用方案

光生電荷特性的研究對(duì)很多光電材料與器件的應(yīng)用開發(fā)具有重要意義，如各種新型太陽能電池、新型高速光電探測(cè)器，以及新型光催化與光電催化材料中光誘導(dǎo)載流子的傳輸、復(fù)合、電荷轉(zhuǎn)移特性的研究等。表面光電壓技術(shù)是基于表面光伏效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的方法,稱之為表面光伏技術(shù)(Surface Photovoltaic Technique, 簡(jiǎn)稱 SPV 技術(shù))或表面光電壓譜(Surface Photovoltaic Spectroscopy，縮寫為SPS)，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體光生電荷的壽命、表面電勢(shì)、導(dǎo)電類型、異質(zhì)結(jié)電荷轉(zhuǎn)移，少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度等參數(shù)的光學(xué)測(cè)量。^[1,2] 本文介紹了卓立漢光基于寬光譜可調(diào)單色光源的一體化表面光電壓譜測(cè)試系統(tǒng)，以滿足多種不同類型光電材料的表面光電壓表征與研究的測(cè)量需求。

引言

半導(dǎo)體材料表面往往存在一定的表面電勢(shì)。在一定能量光子的激發(fā)下，半導(dǎo)體中的電荷發(fā)生能帶躍遷，產(chǎn)生的自由載流子向體相或表面進(jìn)行遷移，造成半導(dǎo)體表面電荷在空間重新分布，引起表面電勢(shì)的變化，這就是半導(dǎo)體材料表面光伏效應(yīng)的來源。表面光電壓測(cè)試系統(tǒng)*常見的有基于金屬-絕緣體-半導(dǎo)體（MIS）結(jié)構(gòu)的表面光伏測(cè)試探針, 以及基于Kelvin 探針的表面光伏探測(cè)技術(shù)。其中基于MIS結(jié)構(gòu)的表面光電壓譜（SPS）測(cè)試技術(shù)具有如測(cè)量結(jié)果只受表面影響、對(duì)樣品的透光度無要求、不需要制備任何導(dǎo)電電極，同時(shí)測(cè)量過程對(duì)樣品無污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體的表面電勢(shì)、表面態(tài)分布、導(dǎo)電類型、異質(zhì)結(jié)電荷轉(zhuǎn)移等問題的研究。^[1,2]

儀器介紹

本項(xiàng)目基于寬帶白光光源和可調(diào)單色光源模塊，通過優(yōu)化的光路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成方案，利用MIS型結(jié)構(gòu)SPV探針盒集成了一體化的表面光電壓譜測(cè)試系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)不同半導(dǎo)體材料，如半導(dǎo)體單晶多晶襯底材料、納米光催化材料、納米異質(zhì)結(jié)材料的一鍵式表面光電壓譜測(cè)試需求。系統(tǒng)集成上，往往需要針對(duì)不同要求，包括光譜范圍、光譜分辨率以及光強(qiáng)等要求，對(duì)可調(diào)單色光源的參數(shù)進(jìn)行配置。經(jīng)過可調(diào)單色光源產(chǎn)生的單色光經(jīng)光學(xué)斬波器進(jìn)行頻率調(diào)制，再經(jīng)全反射光路到達(dá)測(cè)試暗箱，*終經(jīng)SPV探針盒輻照在被測(cè)樣品表面。^[1] 被測(cè)信號(hào)經(jīng)由SPV探針電極，再經(jīng)過一定的信號(hào)增益被鎖相放大器進(jìn)行測(cè)量和采集。該測(cè)試系統(tǒng)具有無色差、布局緊湊、系統(tǒng)集成度高、無需復(fù)雜的制樣過程，采用全自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集軟件等諸多優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足一鍵式樣品測(cè)試的應(yīng)用需求。

圖1表面光電壓測(cè)試系統(tǒng): a測(cè)試系統(tǒng)示意圖; b測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖

技術(shù)優(yōu)勢(shì)

· 對(duì)樣品無損傷、無污染，無需制備電極即可進(jìn)行表面光電壓譜的測(cè)量

· 只對(duì)樣品表面敏感，測(cè)量結(jié)果不受襯底影響，對(duì)樣品的透明度無要求

· SPV探針盒具有獨(dú)特的機(jī)械設(shè)計(jì)，滿足不同厚度、不同表面尺寸的樣品測(cè)試

· 良好的電磁屏蔽，系統(tǒng)具有高的靈敏度和信噪比

· 樣品適用范圍廣，系統(tǒng)維護(hù)成本低

· 高集成的測(cè)試軟件，實(shí)現(xiàn)一鍵式測(cè)量

測(cè)試案例

圖2是利用一體化表面光電壓測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得的單晶硅樣品的表面光電壓強(qiáng)度譜和相位譜。實(shí)驗(yàn)中，將單晶硅樣品放入SPV探針盒中，分別進(jìn)行表面光電壓強(qiáng)度譜和相位譜的測(cè)試。由于表面光電壓強(qiáng)度譜和光強(qiáng)有關(guān)，對(duì)不同波長(zhǎng)的光強(qiáng)進(jìn)行歸一化，得到相同光子流下的SPV強(qiáng)度譜。測(cè)試系統(tǒng)的白光光源選擇150W氙燈光源，可調(diào)單色光源出口狹縫寬度3mm, 光譜分辨率9nm左右。光學(xué)斬波器開關(guān)頻率80Hz, 鎖相放大器型號(hào)為SR830。被測(cè)樣品為單晶硅襯底，尺寸為5×5mm²，厚度為625um，上下層電極分別為ITO玻璃和金屬銅電極，電極與樣品保持良好的歐姆接觸。

圖2 單晶硅樣品的表面光電壓強(qiáng)度譜和相位譜

圖3-5所示是利用恒定表面光電壓法^[3]測(cè)試單晶硅擴(kuò)散長(zhǎng)度的結(jié)果。將單晶硅樣品放入SPV探針盒中固定，為了確保表面光電壓隨光強(qiáng)的增加是線性的，盡量選擇小的光強(qiáng)進(jìn)行測(cè)試。選擇兩個(gè)特定的表面光電壓強(qiáng)度（SPV=25uV，SPV=50uV），通過調(diào)節(jié)漸變衰減片，使不同波長(zhǎng)的表面光電壓保持特定的值（SPV1=25uV，SPV2=50uV），采集得到不同波長(zhǎng)下的光強(qiáng)，如圖3所示。

圖3 表面光電壓強(qiáng)度SPV=25uV/50uV下，測(cè)量并繪制光強(qiáng)值和波長(zhǎng)的曲線圖

利用恒定表面光電壓法測(cè)量擴(kuò)散長(zhǎng)度，表面光電壓和光強(qiáng)有以下關(guān)系：^[3]，其中， 為光強(qiáng)，為表面光電壓強(qiáng)度， 為材料反射率，是只與材料或環(huán)境有關(guān)的常數(shù)，為擴(kuò)散長(zhǎng)度。通過計(jì)算, 擬合出x軸的截距，即可得到擴(kuò)散長(zhǎng)度(步驟1)。

單晶硅樣品吸收系數(shù)和波長(zhǎng)的關(guān)系用以下經(jīng)驗(yàn)公式描述：^[4]

                                      （公式1 ）

式中，為吸收系數(shù)的倒數(shù)（即穿透深度），單位為cm；為波長(zhǎng)那個(gè)，單位為um。

單晶硅樣品反射率和波長(zhǎng)的關(guān)系用以下經(jīng)驗(yàn)公式描述：^[4]

                             （公式2）

式中，為反射系數(shù)，l為波長(zhǎng)，單位為um。

吸收系數(shù)的倒數(shù)和不同波長(zhǎng)反射率的關(guān)系如圖4所示。按照步驟1擬合，再利用外推法可到該單晶硅樣品的擴(kuò)散長(zhǎng)度，約在2mm, 如圖5所示，這說明該單晶硅樣品中的少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度在一個(gè)較低的水平。

圖4a根據(jù)公式1得到吸收系數(shù)的倒數(shù)和波長(zhǎng)的關(guān)系; 圖4b根據(jù)公式2得到(1-R(λ))和波長(zhǎng)的關(guān)系。

圖5計(jì)算得到穿透深度()和光強(qiáng)的依賴關(guān)系圖，利用外推法可到高摻雜單晶硅的擴(kuò)散長(zhǎng)度約在2um

總結(jié)展望

表面光伏技術(shù)(簡(jiǎn)稱SPV 技術(shù)) 被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體光電材料中光生電荷的壽命、表面電勢(shì)、表面態(tài)分布、異質(zhì)結(jié)電荷轉(zhuǎn)移、少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度等參數(shù)的光學(xué)測(cè)量。^[1,2] 該測(cè)量系統(tǒng)利用MIS結(jié)構(gòu)的SPV探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體材料表面光電壓測(cè)量，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體單晶多晶襯底材料、納米光催化材料、納米異質(zhì)結(jié)材料等多種半導(dǎo)體材料的一鍵式表面光電壓譜測(cè)試需求。

參考文獻(xiàn)

[1] V Donchev, Surface photovoltage spectroscopy of semiconductor materials for optoelectronic applications, Mater Res Express, 6(2019), 103001.

[2] Li S, Hou L B, Zhang L, et al. Direct evidence of the efficient hole collection process of the CoOx cocatalyst for photocatalytic reactions: a surface photovoltage study[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2015, 3(34): 17820-17826.

[3]楊德仁,半導(dǎo)體材料測(cè)試與分析[M],北京:科學(xué)出版社, 2010.

[4]https://refractiveindex.info/?shelf=3d&book=crystals&page=silicon