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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(zhì)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(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。
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(zhì)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(diào)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?qū)崿F(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(zhì)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(diào)單色光源的參數(shù)進行配置。經(jīng)過可調(diào)單色光源產(chǎn)生的單色光經(jīng)光學斬波器進行頻率調(diào)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(diào)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(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，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(jīng)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(jīng)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(zhì)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?qū)崿F(xiàn)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:科學出版社, 2010.
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