表面光电压谱测试系统应用方案

概述

光生电荷特性的研究对很多光电材料与器件的应用开发具有重要意义，如各种新型太阳能电池、新型高速光电探测器，以及新型光催化与光电催化材料中光诱导载流子的传输、复合、电荷转移特性的研究等。表面光电压技术是基于表面光伏效应进行测量的方法,称之为表面光伏技术(Surface Photovoltaic Technique, 简称 SPV 技术)或表面光电压谱(Surface Photovoltaic Spectroscopy，缩写为SPS)，被广泛应用于半导体光生电荷的寿命、表面电势、导电类型、异质结电荷转移，少数载流子扩散长度等参数的光学测量。^[1,2] 本文介绍了卓立汉光基于宽光谱可调单色光源的一体化表面光电压谱测试系统，以满足多种不同类型光电材料的表面光电压表征与研究的测量需求。

引言

半导体材料表面往往存在一定的表面电势。在一定能量光子的激发下，半导体中的电荷发生能带跃迁，产生的自由载流子向体相或表面进行迁移，造成半导体表面电荷在空间重新分布，引起表面电势的变化，这就是半导体材料表面光伏效应的来源。表面光电压测试系统最常见的有基于金属-绝缘体-半导体（MIS）结构的表面光伏测试探针, 以及基于Kelvin 探针的表面光伏探测技术。其中基于MIS结构的表面光电压谱（SPS）测试技术具有如测量结果只受表面影响、对样品的透光度无要求、不需要制备任何导电电极，同时测量过程对样品无污染等诸多优点，被广泛应用于半导体的表面电势、表面态分布、导电类型、异质结电荷转移等问题的研究。^[1,2]

仪器介绍

本项目基于宽带白光光源和可调单色光源模块，通过优化的光路设计和系统集成方案，利用MIS型结构SPV探针盒集成了一体化的表面光电压谱测试系统，能够实现针对不同半导体材料，如半导体单晶多晶衬底材料、纳米光催化材料、纳米异质结材料的一键式表面光电压谱测试需求。系统集成上，往往需要针对不同要求，包括光谱范围、光谱分辨率以及光强等要求，对可调单色光源的参数进行配置。经过可调单色光源产生的单色光经光学斩波器进行频率调制，再经全反射光路到达测试暗箱，最终经SPV探针盒辐照在被测样品表面。^[1] 被测信号经由SPV探针电极，再经过一定的信号增益被锁相放大器进行测量和采集。该测试系统具有无色差、布局紧凑、系统集成度高、无需复杂的制样过程，采用全自动化数据采集软件等诸多优点，能够满足一键式样品测试的应用需求。

图1表面光电压测试系统: a测试系统示意图; b测试系统实物图

技术优势

·对样品无损伤、无污染，无需制备电极即可进行表面光电压谱的测量

·只对样品表面敏感，测量结果不受衬底影响，对样品的透明度无要求

·SPV探针盒具有*特的机械设计，满足不同厚度、不同表面尺寸的样品测试

·良好的电磁屏蔽，系统具有高的灵敏度和信噪比

·样品适用范围广，系统维护成本低

·高集成的测试软件，实现一键式测量

测试案例

图2是利用一体化表面光电压测试系统测得的单晶硅样品的表面光电压强度谱和相位谱。实验中，将单晶硅样品放入SPV探针盒中，分别进行表面光电压强度谱和相位谱的测试。由于表面光电压强度谱和光强有关，对不同波长的光强进行归一化，得到相同光子流下的SPV强度谱。测试系统的白光光源选择150W氙灯光源，可调单色光源出口狭缝宽度3mm, 光谱分辨率9nm左右。光学斩波器开关频率80Hz, 锁相放大器型号为SR830。被测样品为单晶硅衬底，尺寸为5×5mm²，厚度为625um，上下层电极分别为ITO玻璃和金属铜电极，电极与样品保持良好的欧姆接触。

图2 单晶硅样品的表面光电压强度谱和相位谱

图3-5所示是利用恒定表面光电压法^[3]测试单晶硅扩散长度的结果。将单晶硅样品放入SPV探针盒中固定，为了确保表面光电压随光强的增加是线性的，尽量选择小的光强进行测试。选择两个特定的表面光电压强度（SPV=25uV，SPV=50uV），通过调节渐变衰减片，使不同波长的表面光电压保持特定的值（SPV1=25uV，SPV2=50uV），采集得到不同波长下的光强，如图3所示。

图3 表面光电压强度SPV=25uV/50uV下，测量并绘制光强值和波长的曲线图

利用恒定表面光电压法测量扩散长度，表面光电压和光强有以下关系：^[3]，其中， 为光强，为表面光电压强度， 为材料反射率，是只与材料或环境有关的常数，为扩散长度。通过计算, 拟合出轴的截距，即可得到扩散长度(步骤1)。

单晶硅样品吸收系数和波长的关系用以下经验公式描述：^[4]

                                      （公式1 ）

式中，为吸收系数的倒数（即穿透深度），单位为cm；为波长那个，单位为um。

单晶硅样品反射率和波长的关系用以下经验公式描述：[4]

                             （公式2）

式中，为反射系数，l为波长，单位为um。

吸收系数的倒数和不同波长反射率的关系如图4所示。按照步骤1拟合，再利用外推法可到该单晶硅样品的扩散长度，约在2mm, 如图5所示，这说明该单晶硅样品中的少数载流子扩散长度在一个较低的水平。

图4a根据公式1得到吸收系数的倒数和波长的关系; 图4b根据公式2得到(1-R(λ))和波长的关系。

图5计算得到穿透深度()和光强的依赖关系图，利用外推法可到高掺杂单晶硅的扩散长度约在2um

总结展望

表面光伏技术(简称SPV 技术) 被广泛应用于半导体光电材料中光生电荷的寿命、表面电势、表面态分布、异质结电荷转移、少数载流子扩散长度等参数的光学测量。^[1,2] 该测量系统利用MIS结构的SPV探测技术实现半导体材料表面光电压测量，能够实现对半导体单晶多晶衬底材料、纳米光催化材料、纳米异质结材料等多种半导体材料的一键式表面光电压谱测试需求。

参考文献

[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]杨德仁,半导体材料测试与分析[M],北京:科学出版社, 2010.