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表面光電壓譜測試系統(tǒng)應用方案

概述

光生電荷特性的研究對很多光電材料與器件的應用開發(fā)具有重要意義，如各種新型太陽能電池、新型高速光電探測器，以及新型光催化與光電催化材料中光誘導載流子的傳輸、復合、電荷轉移特性的研究等。表面光電壓技術是基于表面光伏效應進行測量的方法,稱之為表面光伏技術(Surface Photovoltaic Technique, 簡稱 SPV 技術)或表面光電壓譜(Surface Photovoltaic Spectroscopy，縮寫為SPS)，被廣泛應用于半導體光生電荷的壽命、表面電勢、導電類型、異質結電荷轉移，少數(shù)載流子擴散長度等參數(shù)的光學測量。^[1,2] 本文介紹了卓立漢光基于寬光譜可調單色光源的一體化表面光電壓譜測試系統(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量需求。

引言

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

儀器介紹

本項目基于寬帶白光光源和可調單色光源模塊，通過優(yōu)化的光路設計和系統(tǒng)集成方案，利用MIS型結構SPV探針盒集成了一體化的表面光電壓譜測試系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)針對不同半導體材料，如半導體單晶多晶襯底材料、納米光催化材料、納米異質結材料的一鍵式表面光電壓譜測試需求。系統(tǒng)集成上，往往需要針對不同要求，包括光譜范圍、光譜分辨率以及光強等要求，對可調單色光源的參數(shù)進行配置。經過可調單色光源產生的單色光經光學斬波器進行頻率調制，再經全反射光路到達測試暗箱，最終經SPV探針盒輻照在被測樣品表面。^[1] 被測信號經由SPV探針電極，再經過一定的信號增益被鎖相放大器進行測量和采集。該測試系統(tǒng)具有無色差、布局緊湊、系統(tǒng)集成度高、無需復雜的制樣過程，采用全自動化數(shù)據(jù)采集軟件等諸多優(yōu)點，能夠滿足一鍵式樣品測試的應用需求。

圖1表面光電壓測試系統(tǒng): a測試系統(tǒng)示意圖; b測試系統(tǒng)實物圖

技術優(yōu)勢

·對樣品無損傷、無污染，無需制備電極即可進行表面光電壓譜的測量

·只對樣品表面敏感，測量結果不受襯底影響，對樣品的透明度無要求

·SPV探針盒具有*特的機械設計，滿足不同厚度、不同表面尺寸的樣品測試

·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)維護成本低

·高集成的測試軟件，實現(xiàn)一鍵式測量

測試案例

圖2是利用一體化表面光電壓測試系統(tǒng)測得的單晶硅樣品的表面光電壓強度譜和相位譜。實驗中，將單晶硅樣品放入SPV探針盒中，分別進行表面光電壓強度譜和相位譜的測試。由于表面光電壓強度譜和光強有關，對不同波長的光強進行歸一化，得到相同光子流下的SPV強度譜。測試系統(tǒng)的白光光源選擇150W氙燈光源，可調單色光源出口狹縫寬度3mm, 光譜分辨率9nm左右。光學斬波器開關頻率80Hz, 鎖相放大器型號為SR830。被測樣品為單晶硅襯底，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度譜和相位譜

圖3-5所示是利用恒定表面光電壓法[3]測試單晶硅擴散長度的結果。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的增加是線性的，盡量選擇小的光強進行測試。選擇兩個特定的表面光電壓強度（SPV=25uV，SPV=50uV），通過調節(jié)漸變衰減片，使不同波長的表面光電壓保持特定的值（SPV1=25uV，SPV2=50uV），采集得到不同波長下的光強，如圖3所示。

圖3 表面光電壓強度SPV=25uV/50uV下，測量并繪制光強值和波長的曲線圖

利用恒定表面光電壓法測量擴散長度，表面光電壓和光強有以下關系：^[3]，其中， 為光強，為表面光電壓強度， 為材料反射率，是只與材料或環(huán)境有關的常數(shù)，為擴散長度。通過計算, 擬合出軸的截距，即可得到擴散長度(步驟1)。

單晶硅樣品吸收系數(shù)和波長的關系用以下經驗公式描述：^[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；為波長那個，單位為um。

單晶硅樣品反射率和波長的關系用以下經驗公式描述：[4]

                            （公式2）

式中，為反射系數(shù)，l為波長，單位為um。

吸收系數(shù)的倒數(shù)和不同波長反射率的關系如圖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散長度，約在2mm, 如圖5所示，這說明該單晶硅樣品中的少數(shù)載流子擴散長度在一個較低的水平。

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

圖5計算得到穿透深度()和光強的依賴關系圖，利用外推法可到高摻雜單晶硅的擴散長度約在2um

總結展望

表面光伏技術(簡稱SPV 技術) 被廣泛應用于半導體光電材料中光生電荷的壽命、表面電勢、表面態(tài)分布、異質結電荷轉移、少數(shù)載流子擴散長度等參數(shù)的光學測量。^[1,2] 該測量系統(tǒng)利用MIS結構的SPV探測技術實現(xiàn)半導體材料表面光電壓測量，能夠實現(xiàn)對半導體單晶多晶襯底材料、納米光催化材料、納米異質結材料等多種半導體材料的一鍵式表面光電壓譜測試需求。

參考文獻

[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,半導體材料測試與分析[M],北京:科學出版社, 2010.