概述
光生電荷特性的研究對很多光電材料與器件的應(yīng)用開發(fā)具有重要意義重要作用，如各種新型太陽能電池等地、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(dǎo)載流子的傳輸尤為突出、復(fù)合、電荷轉(zhuǎn)移特性的研究等自行開發。表面光電壓技術(shù)是基于表面光伏效應(yīng)進(jìn)行測量的方法,稱之為表面光伏技術(shù)(Surface Photovoltaic Technique, 簡稱 SPV 技術(shù))或表面光電壓譜(Surface Photovoltaic Spectroscopy進行部署，縮寫為SPS)，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體光生電荷的壽命應用情況、表面電勢保護好、導(dǎo)電類型、異質(zhì)結(jié)電荷轉(zhuǎn)移表現，少數(shù)載流子擴(kuò)散長度等參數(shù)的光學(xué)測量特點。[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結論。
引言
半導(dǎo)體材料表面往往存在一定的表面電勢和諧共生。在一定能量光子的激發(fā)下，半導(dǎo)體中的電荷發(fā)生能帶躍遷適應性強，產(chǎn)生的自由載流子向體相或表面進(jìn)行遷移技術交流，造成半導(dǎo)體表面電荷在空間重新分布，引起表面電勢的變化拓展，這就是半導(dǎo)體材料表面光伏效應(yīng)的來源創造更多。表面光電壓測試系統(tǒng)最常見的有基于金屬-絕緣體-半導(dǎo)體（MIS）結(jié)構(gòu)的表面光伏測試探針, 以及基于Kelvin 探針的表面光伏探測技術(shù)。其中基于MIS結(jié)構(gòu)的表面光電壓譜（SPS）測試技術(shù)具有如測量結(jié)果只受表面影響不斷進步、對樣品的透光度無要求工藝技術、不需要制備任何導(dǎo)電電極效率，同時測量過程對樣品無污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體的表面電勢近年來、表面態(tài)分布講道理、導(dǎo)電類型、異質(zhì)結(jié)電荷轉(zhuǎn)移等問題的研究性能穩定。[1,2]
儀器介紹
本項目基于寬帶白光光源和可調(diào)單色光源模塊全面革新，通過優(yōu)化的光路設(shè)計和系統(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試系統(tǒng)情況正常，能夠?qū)崿F(xiàn)針對不同半導(dǎo)體材料行業分類，如半導(dǎo)體單晶多晶襯底材料、納米光催化材料提高鍛煉、納米異質(zhì)結(jié)材料的一鍵式表面光電壓譜測試需求發展邏輯。系統(tǒng)集成上，往往需要針對不同要求製高點項目，包括光譜范圍為產業發展、光譜分辨率以及光強(qiáng)等要求，對可調(diào)單色光源的參數(shù)進(jìn)行配置有所增加。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)制各項要求，再經(jīng)全反射光路到達(dá)測試暗箱，最終經(jīng)SPV探針盒輻照在被測樣品表面越來越重要的位置。[1] 被測信號經(jīng)由SPV探針電極新技術，再經(jīng)過一定的信號增益被鎖相放大器進(jìn)行測量和采集。該測試系統(tǒng)具有無色差順滑地配合、布局緊湊深入、系統(tǒng)集成度高、無需復(fù)雜的制樣過程前沿技術，采用全自動化數(shù)據(jù)采集軟件等諸多優(yōu)點(diǎn)基礎，能夠滿足一鍵式樣品測試的應(yīng)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(shù)優(yōu)勢
·對樣品無損傷多種方式、無污染對外開放，無需制備電極即可進(jìn)行表面光電壓譜的測量
·只對樣品表面敏感，測量結(jié)果不受襯底影響邁出了重要的一步，對樣品的透明度無要求
·SPV探針盒具有*特的機(jī)械設(shè)計有序推進，滿足不同厚度、不同表面尺寸的樣品測試
·良好的電磁屏蔽需求，系統(tǒng)具有高的靈敏度和信噪比
·樣品適用范圍廣堅定不移，系統(tǒng)維護(hù)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(qiáng)度譜和相位譜。實驗中迎難而上，將單晶硅樣品放入SPV探針盒中積極，分別進(jìn)行表面光電壓強(qiáng)度譜和相位譜的測試。由于表面光電壓強(qiáng)度譜和光強(qiáng)有關(guān)堅持先行，對不同波長的光強(qiáng)進(jìn)行歸一化產業，得到相同光子流下的SPV強(qiáng)度譜。測試系統(tǒng)的白光光源選擇150W氙燈光源情況較常見，可調(diào)單色光源出口狹縫寬度3mm, 光譜分辨率9nm左右可持續。光學(xué)斬波器開關(guān)頻率80Hz, 鎖相放大器型號為SR830。被測樣品為單晶硅襯底體製，尺寸為5×5mm2構建，厚度為625um，上下層電極分別為ITO玻璃和金屬銅電極能力和水平，電極與樣品保持良好的歐姆接觸覆蓋。
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]測試單晶硅擴(kuò)散長度的結(jié)果。將單晶硅樣品放入SPV探針盒中固定研究，為了確保表面光電壓隨光強(qiáng)的增加是線性的高效，盡量選擇小的光強(qiáng)進(jìn)行測試。選擇兩個特定的表面光電壓強(qiáng)度（SPV=25uV提高，SPV=50uV）機構，通過調(diào)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交流，SPV2=50uV）攜手共進，采集得到不同波長下的光強(qiáng)，如圖3所示推進一步。
圖3 表面光電壓強(qiáng)度SPV=25uV/50uV下，測量并繪制光強(qiáng)值和波長的曲線圖
利用恒定表面光電壓法測量擴(kuò)散長度簡單化，表面光電壓和光強(qiáng)有以下關(guān)系：
[3]力度，其中，
為光強(qiáng)系統性，
為表面光電壓強(qiáng)度勇探新路，
為材料反射率，
是只與材料或環(huán)境有關(guān)的常數(shù)傳遞，
為擴(kuò)散長度試驗。通過計算
, 擬合出
軸的截距，即可得到擴(kuò)散長度(步驟1)開展攻關合作。
單晶硅樣品吸收系數(shù)和波長的關(guān)系用以下經(jīng)驗公式描述：[4]
（公式1 ）
式中製度保障，
為吸收系數(shù)的倒數(shù)（即穿透深度），單位為cm；
為波長那個統籌推進，單位為um方案。
單晶硅樣品反射率和波長的關(guān)系用以下經(jīng)驗公式描述：[4]
（公式2）
式中，
為反射系數(shù)了解情況，l為波長深入，單位為um。
吸收系數(shù)的倒數(shù)和不同波長反射率的關(guān)系如圖4所示重要的。按照步驟1擬合開展研究，再利用外推法可到該單晶硅樣品的擴(kuò)散長度，約在2mm, 如圖5所示問題分析，這說明該單晶硅樣品中的少數(shù)載流子擴(kuò)散長度在一個較低的水平培養。
圖4a根據(jù)公式1得到吸收系數(shù)的倒數(shù)和波長的關(guān)系; 圖4b根據(jù)公式2得到(1-R(λ))和波長的關(guān)系。
圖5計算得到穿透深度(
)和光強(qiáng)的依賴關(guān)系圖推廣開來，利用外推法可到高摻雜單晶硅的擴(kuò)散長度約在2um
總結(jié)展望
表面光伏技術(shù)(簡稱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推動、表面電勢、表面態(tài)分布資源配置、異質(zhì)結(jié)電荷轉(zhuǎn)移信息、少數(shù)載流子擴(kuò)散長度等參數(shù)的光學(xué)測量。[1,2] 該測量系統(tǒng)利用MIS結(jié)構(gòu)的SPV探測技術(shù)實現(xiàn)半導(dǎo)體材料表面光電壓測量大力發展，能夠?qū)崿F(xiàn)對半導(dǎo)體單晶多晶襯底材料豐富內涵、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試需求產能提升。
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)體材料測試與分析[M],北京:科學(xué)出版社, 2010.
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