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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(kāi)發(fā)具有重要意義，如各種新型太陽(yáng)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(shù)是基于表面光伏效應進(jìn)行測量的方法,稱(chēng)之為表面光伏技術(shù)(Surface Photovoltaic Technique, 簡(jiǎn)稱(chēng) SPV 技術(shù))或表面光電壓譜(Surface Photovoltaic Spectroscopy，縮寫(xiě)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(lèi)型、異質(zhì)結電荷轉移，少數載流子擴散長(cháng)度等參數的光學(xué)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，以滿(mǎn)足多種不同類(lèi)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(chǎn)生的自由載流子向體相或表面進(jìn)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(lái)源。表面光電壓測試系統最常見(jiàn)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(shù)。其中基于MIS結構的表面光電壓譜（SPS）測試技術(shù)具有如測量結果只受表面影響、對樣品的透光度無(wú)要求、不需要制備任何導電電極，同時(shí)測量過(guò)程對樣品無(wú)污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于半導體的表面電勢、表面態(tài)分布、導電類(lèi)型、異質(zhì)結電荷轉移等問(wèn)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(guò)優(yōu)化的光路設計和系統集成方案，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，能夠實(shí)現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(zhì)結材料的一鍵式表面光電壓譜測試需求。系統集成上，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進(jìn)行配置。經(jīng)過(guò)可調單色光源產(chǎn)生的單色光經(jīng)光學(xué)斬波器進(jìn)行頻率調制，再經(jīng)全反射光路到達測試暗箱，最終經(jīng)SPV探針盒輻照在被測樣品表面。[1] 被測信號經(jīng)由SPV探針電極，再經(jīng)過(guò)一定的信號增益被鎖相放大器進(jìn)行測量和采集。該測試系統具有無(wú)色差、布局緊湊、系統集成度高、無(wú)需復雜的制樣過(guò)程，采用全自動(dòng)化數據采集軟件等諸多優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足一鍵式樣品測試的應用需求。
圖1表面光電壓測試系統: a測試系統示意圖; b測試系統實(shí)物圖
技術(shù)優(yōu)勢
·對樣品無(wú)損傷、無(wú)污染，無(wú)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，測量結果不受襯底影響，對樣品的透明度無(wú)要求
·SPV探針盒具有*特的機械設計，滿(mǎn)足不同厚度、不同表面尺寸的樣品測試
·良好的電磁屏蔽，系統具有高的靈敏度和信噪比
·樣品適用范圍廣，系統維護成本低
·高集成的測試軟件，實(shí)現一鍵式測量
測試案例
圖2是利用一體化表面光電壓測試系統測得的單晶硅樣品的表面光電壓強度譜和相位譜。實(shí)驗中，將單晶硅樣品放入SPV探針盒中，分別進(jìn)行表面光電壓強度譜和相位譜的測試。由于表面光電壓強度譜和光強有關(guān)，對不同波長(cháng)的光強進(jìn)行歸一化，得到相同光子流下的SPV強度譜。測試系統的白光光源選擇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(xué)斬波器開(kāi)關(guān)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(cháng)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(xiàn)性的，盡量選擇小的光強進(jìn)行測試。選擇兩個(gè)特定的表面光電壓強度（SPV=25uV，SPV=50uV），通過(guò)調節漸變衰減片，使不同波長(cháng)的表面光電壓保持特定的值（SPV1=25uV，SPV2=50uV），采集得到不同波長(cháng)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(cháng)的曲線(xiàn)圖
利用恒定表面光電壓法測量擴散長(cháng)度，表面光電壓和光強有以下關(guān)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(guān)的常數，
為擴散長(cháng)度。通過(guò)計算
, 擬合出
軸的截距，即可得到擴散長(cháng)度(步驟1)。
單晶硅樣品吸收系數和波長(cháng)的關(guān)系用以下經(jīng)驗公式描述：[4]
（公式1 ）
式中，
為吸收系數的倒數（即穿透深度），單位為cm；
為波長(cháng)那個(gè)，單位為um。
單晶硅樣品反射率和波長(cháng)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，l為波長(cháng)，單位為um。
吸收系數的倒數和不同波長(cháng)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散長(cháng)度，約在2mm, 如圖5所示，這說(shuō)明該單晶硅樣品中的少數載流子擴散長(cháng)度在一個(gè)較低的水平。
圖4a根據公式1得到吸收系數的倒數和波長(cháng)的關(guān)系; 圖4b根據公式2得到(1-R(λ))和波長(cháng)的關(guān)系。
圖5計算得到穿透深度(
)和光強的依賴(lài)關(guān)系圖，利用外推法可到高摻雜單晶硅的擴散長(cháng)度約在2um
總結展望
表面光伏技術(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)SPV 技術(shù)) 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(zhì)結電荷轉移、少數載流子擴散長(cháng)度等參數的光學(xué)測量。[1,2] 該測量系統利用MIS結構的SPV探測技術(shù)實(shí)現半導體材料表面光電壓測量，能夠實(shí)現對半導體單晶多晶襯底材料、納米光催化材料、納米異質(zhì)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(xué)出版社, 2010.
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