半导体光电特性的表面光电压谱表征.doc

第 21 卷 第 2 期2004 年 6 月河 北 建 筑 科 技 学 院 学 报Journal of Hebei Institute of Architectural Science and TechnologyVol121 No12J un12004文章编号 :1007 - 6743 (2004) 02 - 0090 - 04半导体光电特性的表面光电压谱表征王华英1 ,朱海丰2 ,何杰2 ,李丽宏1(1. 河北工程学院 数理系 , 河北 邯郸 056038 ;2. 河北大学 , 河北 保定 071002)摘要 :根据半导体能带结构 ,利用静电平衡条件及电荷守衡定律 ,详细讨论了半导体表面光电压的产生原理 、测量方法 ,给出了单晶硅的表面光电压谱 ,并由此得出了单晶硅的带隙能量 。关键词 :半导体 ;表面光电压 ;表面光电压谱 ;单晶硅中图分类号 : O484 . 1文献标识码 :A表面光电压是固体表面的光生伏特效应 ,是光致电子跃迁的结果 。早在 1876 年 ,W. G. Adams 就发现了这一现象1 - 3 ,然而直到 1948 年才将这一效应作为光谱检测技术应用于半导体材料的特征参数和表面特性研究上 ,这种光谱技术称为表面光电压技术 ( Surface Photovoltaic Technique) 或表面光电压谱 ( SurfacPhotovoltage Spectroscopy ,简称 SPS) 。表面光电压技术是一种研究半导体特征参数的极佳途径 ,这种方法是通过对材料光致表面电压的改变进行分析来获得相关信息的 。1970 年 ,表面光伏研究获得重大突破 ,美国麻省理工学院 Gates 教授领导的研究小组在用低于禁带宽度能量的光照射 CdS 表面时 ,历史性的第一次获得入射光波长与表面光电压的谱图 ,以此来确定表面态的能级 ,从而形成了表面光电压谱这一新的研究测试手段4 - 7 。SPV 技术是基于检测由入射光诱导的表面电荷的变化 ,因此是一种快速的 、非破坏性的高灵敏度测试方法 ,其灵敏度高于 XPS 和 Auger 电子能谱几个量级 ,而使 SPV 技术得到了广泛的应用 ,尤其是近年来随着激光光源的应用 、微弱信号检测水平的提高和计算机技术的进展 ,SPV 技术应用的范围得到了很大的扩展6,被用于诸如吸附 、光催化等领域 。1 表面光电压的产生原理当两 个 具 有 不 同 功 函 数 的材料接触时 ,由于它们的化学势 不同 ,在界面附近会发生相互作用 ,电子会从费米能级高的物体向费 米 能 级 低 的 物 体 转 移 。N 型半导体的费 米 能 级 比 金 属 的 费 米 能 级 高 , 因 此 当 二 者 接 触时 , 半 导 体 中 的 电 子 向 金 属 运 动 ,直至达到平衡状态 , 从 而 在 半导体表面形成电子耗尽层 ,使 得表面能带向上弯曲1 。相反 , P 型 半 导 体 的 费 米 能 级 比 金 属的费米能级低 , 当二者接 触 时 ,金属中的电子向半导体运动 ,半导体表面形成空穴耗尽层 ,使得表面能带向下弯曲 。能带弯曲意味着在半导体的表面出现了势垒 VS ,如图 1 所示 。收稿日期 :2003 - 11 - 11基金项目 :河北省自然科学基金 (500084)特约专稿作者简介 :王华英 (1963 - ) ,女 ,河北涉县人 ,副教授 ,从事光信息与光电子学研究 。对于半导体的自由表面来说 ,周期结构的终止 ,使表面上形成了定域电子态能级 ,这些能级位于半导体带隙之中 ,常称为“本征表面态”。另外 ,由于表面吸附或表面杂质 ,使半导体出现了“非本征表面态”。 表面态的出现导致了表面与体内电荷的转移 ,从而在表面形成了非中性区 ,称为空间电荷区 ( SCR) ,产生 内建电场 ,形成表面势 VS ,造成表面能带弯曲 。图 2 给出了半导体表面空间电荷区以及能带弯曲示意图 。根据电荷守恒定律 ,表面净电荷量 QSS应等于空间电荷区的净电荷量 QSC 。由于表面势垒 VS 的大小主要取决于 QSS或 QSC ,它们在光的照射下可能会发生显著的变化 ,从而引起表面势垒的变化 ,而在无光照 和有光照射下表面势垒的变化量 VS 即表面光电压 。在大于或等于禁带宽度 Eg 的光照射下 ,发生价带 到导带的跃迁 ,在近表面产生电子 空穴对 (称为光生载流子) ,形成自由载流子 ,它们在自建场的作用下 发生电荷转移和分离 ,导致电荷重新分布 ,引起 QSC和 VS 的变化 ,产生了表面光电压 ,如图 3 所示1 。可 见 ,对于 N 型半导体 ,光生电子移向体相 ,光生空穴移向表面 。对于 P 型半导体 ,则与之相反 。在小于禁带宽度的光照射下 ,发生带隙态 导带或价带 带隙态的跃迁 ,释放俘获的载流子 ,形成自由电子或空 穴 ,在自建场的作用下 ,引起表面电荷变化以及 VS 的变化 ,产生光电压 ,如图 4 所示 。由图 3 和图 4 可知 , 带 带跃迁总是使表面带弯减小 ,而带隙态 带的跃迁却有两种不同的情况 (见图 4) 。92河 北 建 筑 科 技 学 院 学 报2004年2 表面光电压谱的测量原理及方法表面光电压谱与普通的透射光谱不同 ,它是作用光谱 ,是利用调制光激发而产生光伏信号 。因此 ,所检测的信号包括两方面信息1 , :一个是常见的光电压强度谱 ,它正比于样品的吸收光谱 ; 另一个是相位角谱 。SPV 信号的实质是对样品施加在强度上正弦调制的光脉冲 ,将会导致一个相同频率调制的 ,而且是正弦波的表面电势的变化 。影响表面电势值的是少数载流子平均扩散距离内的光生电子或空穴 ,即 VSPV在比少数载流子平均寿命更长的时间后才出现极值 。因此 ,在入射光脉冲和 VSPV的极值之间有一个时间延迟 ,也即相位差 。可以通过研究样品的 SPV 响应相位角来判断固体材料的导电类型 、表面态得失电子性质和固体表面的酸碱性质 。光电压谱是通过电容耦合法测量开路光电压信号得到的 ,SPV 测试系统主要由光源 、信号检测和微机数据处理三部分组成1 ,见图 5 。单晶硅为商业产品 , 光电压谱仪由自己组装 。其中单色仪是英国 HIGRE 公司产的 D300 型双棱镜复式单色仪 ,锁相放大器是美 国 EG&G 公司产的 7265 型 。测量过程中 ,将硅片固定在导电玻璃( ITO) 上 。图 6 为光电压池结构示意图 。3 表面光电压谱的应用SPV 技术是最灵敏的固体表面性质研究的方法之一 ,其特点是操作简单 、再现性好 、不污染样品 、不破坏样品形貌 ,因此其应用范 围很广 。在 SPV 信息中 , 主要反映的是样品表层 ( 一般为几十纳米) 的性质 ,因此可不受基底和本体的影响 , 这对于研究固体表面的改性 、电极表面修饰 、L - B 超薄膜CVD 膜和外延膜都有着非常重要的意义 。目前 , SPV 技术主要应用于太阳能转换 、表面科学 、材料科学催化和光化学等方面的研究 。特别是利用外电场诱导的 SPV 技术 ,可以更有效地对半导体的光电特性进行表征 。这些特征主要包括带隙 Eg 、导电类型 、表面电子态和体电子态 。图 7 给出了 P 型单晶硅的光电压谱8 - 9 。对大多数半导体来说 ,在接近带隙能处吸收系数有一个很 大的增加 ,相应的光电压也有一个显著的增加8 。据此 ,我们可以粗略地确定单晶硅的禁带宽度 Eg 。由 图可以看到 ,在激发光能量等于 1 . 1eV 时 , 光 电 压 明 显 增 加 , 说 明 单 晶 硅 的 带 隙 Eg 为 1 . 1eV 。在 低 于1 . 1eV光照下的光电压响应 ,说明存在表面态 。4 结束语通过上述分析可以看出 ,表面光电压技术是一种表征固体材料特征的极其有效的方法 ,目前已在许多领域得到了广泛的应用 。在美国 ,成套的光电压谱仪早已有商品出售 ,且该技术已用于半导体工艺过 程中的在线测量3 。可以预料 ,这项技术在我国也会越来越受到重视并得到广泛应用的 。参考文献 :1L EEOR KRONIK , YORAM SHAPIRA. 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Hebei University , Baoding 071002 , China)Abstract :The principle of the SPS method and the measuring technique are discussed particularly using the electro2 static equilibrium condition and the law of conservation of charge on the basis of the energy