半導(dǎo)體材料能帶測(cè)試及計(jì)算

1、半導(dǎo)體材料能帶測(cè)試及計(jì)算對(duì)于半導(dǎo)體，是指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料，其具有一定的帶隙（Eg）。通常對(duì)半導(dǎo)體材料而言，采用合適的光激發(fā)能夠激發(fā)價(jià)帶（VB）的電子激發(fā)到導(dǎo)帶（CB）,產(chǎn)生電子與空穴對(duì)。圖1.半導(dǎo)體的帶隙結(jié)構(gòu)示意圖在研究中，結(jié)構(gòu)決定性能，對(duì)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)測(cè)試十分關(guān)鍵。通過對(duì)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，可以通過其電子能帶結(jié)構(gòu)對(duì)其光電性能進(jìn)行解析。對(duì)于半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試及分析，通常應(yīng)用的方法有以下幾種（如圖2）:1 .紫外可見漫反射測(cè)試及計(jì)算帶隙Eg；2 .VBXPS測(cè)得價(jià)帶位置（Ev）;3 .SRPES測(cè)得Ef、Ev以及缺陷態(tài)位置；4 .通過測(cè)試Mott-Schottk

2、y曲線得到平帶電勢(shì)；5 .通過電負(fù)性計(jì)算得到能帶位置.d&=需圖2.半導(dǎo)體的帶隙結(jié)構(gòu)常見測(cè)試方式1 .紫外可見漫反射測(cè)試及計(jì)算帶隙紫外可見漫反射測(cè)試2 .制樣:背景測(cè)試制樣：往圖3左圖所示的樣品槽中加入適量的BaSO4粉末（由于BaS。粉末幾乎對(duì)光沒有吸收，可做背景測(cè)試），然后用蓋玻片將BaSO4粉末壓實(shí)，使得BaSO4粉末填充整個(gè)樣品槽，并壓成一個(gè)平面，不能有凸出和凹陷，否者會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。樣品測(cè)試制樣：若樣品較多足以填充樣品槽，可以直接將樣品填充樣品槽并用蓋玻片壓平；若樣品測(cè)試不夠填充樣品槽，可與BaSO4粉末混合，制成一系列等質(zhì)量分?jǐn)?shù)的樣品，填充樣品槽并用蓋玻片壓平。圖3.紫外可

3、見漫反射測(cè)試中的制樣過程圖1.測(cè)試：用積分球進(jìn)行測(cè)試紫外可見漫反射（UV-VisDRS）,采用背景測(cè)試樣（BaSO4粉末）測(cè)試背景基線（選擇R%模式），以其為background測(cè)試基線，然后將樣品放入到樣品卡槽中進(jìn)行測(cè)試，得到紫外可見漫反射光譜。測(cè)試完一個(gè)樣品后，重新制樣，繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)的處理主要有兩種方法：截線法和Taucplot法。截線法的基本原理是認(rèn)為半導(dǎo)體的帶邊波長(zhǎng)（）決定于禁帶寬度Eg。兩者之間存在Eg（eV尸hc/g=1240/g（nm）的數(shù)量關(guān)系，可以通過求取后來得到Eg。由于目前很少用到這種方法，故不做詳細(xì)介紹，以下主要來介紹Taucplot法。具體操作：1、

4、般通過UV-VisDRS測(cè)試可以得到樣品在不同波長(zhǎng)下的吸收，如圖4所示;300400500600700MOWavelength(nm)應(yīng))圖4.紫外可見漫反射圖2 .根據(jù)(ahvf=A(hv-Eg),其中a為吸光指數(shù)，h為普朗克常數(shù)，v為頻率，Eg為半導(dǎo)體禁帶寬度，A為常數(shù)。其中，n與半導(dǎo)體類型相關(guān)，直接帶隙半導(dǎo)體的n取1/2,間接帶隙半導(dǎo)體的n為2。3 .利用UV-VisDRS數(shù)據(jù)分別求(ahV/n和hv=hc/人,的光速，入為光的波長(zhǎng)，所作圖如圖5所示。所得譜圖的縱坐標(biāo)一般為吸收值A(chǔ)bs,a為吸光系數(shù)，兩者成正比。通過Taucplot來求Eg時(shí)，不論采用Abs還是a,XEEg值無(wú)影響，可以

5、直接用A替代的但在論文中應(yīng)說明。4 .在origin中以(ahJ)n對(duì)hv作圖，所作圖如圖5所示ZnIn2s4為直接帶隙半導(dǎo)體，n取1/2),將所得到圖形中的直線部分外推至橫坐標(biāo)軸，交點(diǎn)即為禁帶寬度值。圖5.Taucplot圖。圖6與圖7所示是文獻(xiàn)中通過測(cè)試UV-VisDRS計(jì)算相應(yīng)半導(dǎo)體的帶隙Eg的圖。Wawiengiihi仲e)cV-A_7454b'飛亳tWMX.MWO-1291W照“_2025303S4石圖6.W18O19以及Mo摻雜W18O19(MWO-1)的紫外可見漫反射圖和Taucplot圖?？?M>?WWthH埔Ihfl(-=-JdulMqJIrsl叁更prkll

6、wZISZi圖7.ZnIn2S4（ZIS）以及O摻雜ZIS的紫外可見漫反射圖和Taucplot圖。2. VBXPS測(cè)得價(jià)帶位置（Ev）根據(jù)價(jià)帶X射線光電子能譜（VBXPS）的測(cè)試數(shù)據(jù)作圖，將所得到圖形在0eV附近的直線部分外推至與水平的延長(zhǎng)線相交，交點(diǎn)即為Ev。如圖8,根據(jù)ZnIn2s4以及O摻雜ZnIn2s4的VBXPS圖譜，在0eV附近（2eV和1eV）發(fā)現(xiàn)有直線部分進(jìn)行延長(zhǎng)，并將小于0eV的水平部分延長(zhǎng)得到的交點(diǎn)即分別為ZnIn2s4以及O摻雜ZnIn2s4的價(jià)帶位置對(duì)應(yīng)的能量（1.69eV和0.73eV）如圖9為TiO”C的VBXPS圖譜，同理可得到其價(jià)帶位置能量（3.09eV）。rt

7、r*tu昌5一Btndinj;Energy|el)圖8.ZnIn2s4(ZIS)以及O摻雜ZIS的VBXPS圖-20246010121416BindingEnergy(eV)圖9.TiO2/CHNTs的VBXPS圖。3. SRPES測(cè)得Ef、Ev以及缺陷態(tài)位置圖2.3所示是文獻(xiàn)中通過測(cè)同步輻射光電子發(fā)射光譜（SRPESM算相應(yīng)半導(dǎo)體的Ef、Ev以及缺陷態(tài)位置。圖2.3a是通過SRPES測(cè)得的價(jià)帶結(jié)構(gòu)譜圖，通過做直線部分外推至與水平的延長(zhǎng)線相交，得到價(jià)帶頂與費(fèi)米能級(jí)的能量差值（Evbm-E。；該譜圖在靠近0eV處（費(fèi)米能級(jí)Ef）為缺陷態(tài)的結(jié)構(gòu)，如圖2.3b所示，取將積分面積一分為二的能量位置定義

8、為缺陷態(tài)的位置。圖2.3c是測(cè)得的二次電子的截止能量譜圖，加速能量為39eV,根據(jù)計(jì)算加速能量與截止能量的差值，即可得到該材料的功函數(shù)，進(jìn)一步得到該材料的費(fèi)米能級(jí)（Ef）。3_;Figure4.structure憶gri工口Lieii*ulandhI't'O1.UINW*nieaKiiredbySRPES.(a)Viluncthaud(VB)spectrx(b)口過ektbandlevtLmFB5Pdetruvci5g£卜juddiedctcriiuDcdcenters(e)Second!irj1electroncutoH(息0山自上(d)SchematiciJJus

9、tmionfortheehctroniii：bandstructuresof科:覃0鐘undAIWU-1.UTNWs.圖10.W18O19以及Mo摻雜W18O19(MWO-1)的SRPES圖以及其帶隙結(jié)構(gòu)示意4. 通過測(cè)試Mott-Schottky曲線得到平帶電勢(shì)測(cè)試方法在一定濃度的Na2SO4溶液中測(cè)試Mott-Schottky曲線，具體的測(cè)試方法如下：1 .配置一定濃度的Na2SO4溶液；2 .將一定量待測(cè)樣品分散于一定比例的乙醇與水混合液中，超聲分散后，將導(dǎo)電玻璃片浸入（注意控制浸入面積）或?qū)⒁欢繕悠返卧谝欢娣e的導(dǎo)電玻璃上，待其干燥后可進(jìn)行測(cè)試（此步驟制樣一定要均勻，盡可能薄。樣品超

10、聲前可先進(jìn)行研磨，超聲時(shí)可在乙醇溶液中加入微量乙基纖維素或Nafion溶液）；3 .三電極體系測(cè)試，電解液為Na2SO4溶液，參比電極為Ag/AgCl電極，對(duì)電極為鋁網(wǎng)電極，工作電極為具有待測(cè)樣品的導(dǎo)電玻璃；4 .在一定電壓范圍（一般為-11VvsAg/AgCl）進(jìn)行測(cè)試，改變測(cè)試的頻率（一般為500、1000以及2000Hz）,得到相應(yīng)的測(cè)試曲線。具體的設(shè)置界面如圖11和圖12所示。圖11.測(cè)試設(shè)置界面1。ImpcdainiC?-Pvt?nthBl暄EMEnaiaarawMiInaEMLArvfikideMF|ii"tdJ|口005Jp-Mf(>h!H>Aequeric

11、ylMz11MO匚ebek的10HijiCki«<Iivw(w).p可根據(jù)具體情況設(shè)置BmsftCCuiiertH_SensiMrA/VJ.Automifc可圖12.測(cè)試設(shè)置界面2。測(cè)試數(shù)據(jù)處理測(cè)試的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為txt格式，根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)可計(jì)算半導(dǎo)體材料的平帶電勢(shì)。對(duì)于半導(dǎo)體在溶液中形成的空間電荷層（耗盡層），可用以下公式計(jì)算其平帶電勢(shì)：斜率為負(fù)時(shí)對(duì)應(yīng)p型半導(dǎo)體，斜率為正時(shí)對(duì)應(yīng)n型半導(dǎo)體。由于電極的電容由雙電層電容（Cdl）以及空間電荷電容（Csc）兩部分組成，且但是一般Csc<<Cdl,故有C=Csc=,根據(jù)txt數(shù)據(jù)（圖13）的第一列（E）和第三列（），分別轉(zhuǎn)換為

12、NHE電位以及Csc=-1/=-1/2冗,做出1/C2-E圖即可得到Mott-Schottky曲線，將直線部分外推至橫坐標(biāo)軸，交點(diǎn)即為平帶電勢(shì)。一般對(duì)于n型半導(dǎo)體，導(dǎo)帶底位置與平帶電勢(shì)一致，可認(rèn)為平帶電勢(shì)為導(dǎo)帶底位置。文明H蛔KR幅式（6n（V）耘匐.ZVohm,ZVohm,2ohm.Pha$e/deg-8.000g-1.7S0Cte-1.-7.000e-L石.500eL-6.000e-1,5500e-L5.000e-L4.500e1,4000e1.-J.500e-LlOOOe-1,-ZSOOe-1.-2000e1.-1500e-1f-LOOOe-L-5.0Me-2.丈686b-a!1986e

13、+1,1982e+1.4977H4.972e+1d4.967e+1dI965e+1,4.965e+L1.97le+l,4983e+Li.002e+l,5.027e+L>057e+1,5.091p+1,5.125P+L5J58e+1,5.18«?+1,N14e+L-k41fe+1-1341e+1-I229e+1-1J29e+1-10J4e*1-9.664?”-9228e+C-9.076e+C-9.1+C9,575e+0L025e+1-I122e+1-1248e+1-1398e+1-1.S66e+l-1.745+15J83e+1r-15.9515猊*1廠15.15J27m1.-13

14、95-099e+L-12.85-074e+1,*11.85.0S8e+i,-11.0S.OSOe+lrI0,S工05如7-1035067e+1,-1Q,45.093e+Ld0.SSJSIe+l.-lLS5J80e+1r-1ZS5241e+1.f-135312e+L1S.5539aL-169R473a*1,1861.925e+1P5558e+L-20.3圖13.保存的txt數(shù)據(jù)-1-2/fi-04OJO0j4。上(VRNgpH=6J8*圖14.Mott-Schottky曲線。圖15與圖16所示是文獻(xiàn)中通過測(cè)試Mott-Schottky曲線得到半導(dǎo)體的平帶電位（導(dǎo)帶位置Ev）0如圖15,根據(jù)Co9

15、S8和ZnIn2s4的Mott-Schottky曲線圖，可以得到CO9S8和ZnIn2s4的平帶電位分別為-0.75eV和-0.95eV,由于斜率為正時(shí)對(duì)應(yīng)n型半導(dǎo)體，CO9S8和ZnIn2s4均為n型半導(dǎo)體，可以認(rèn)為其導(dǎo)帶位置為-0.75eV和-0.95eV。如圖16為P-In2O3和C-In2O3的Mott-Schottky曲線圖，同理可得到其平帶位置。FigiirtS23,MuCl-ScIkrtikjufIa)Cum-SkaifeJ(b)ZnliizSi.圖15.CO9S8和ZnIn2S4的Mott-Schottky曲線圖。圖16.P-In2O3和C-In2O3的Mott-Schottk

16、y曲線圖。5.通過計(jì)算得到能帶位置對(duì)于純的單一半導(dǎo)體，可根據(jù)測(cè)得的禁帶寬度（0.5Eg）來計(jì)算其導(dǎo)帶和價(jià)帶位置：價(jià)帶：Evb=X-Ee+0.5Eg導(dǎo)帶：Ecb=X-Ee-0.5Eg其中，X為半導(dǎo)體各元素的電負(fù)性的幾何平均值計(jì)算的半導(dǎo)體的電負(fù)性，Ee為自由電子在氫標(biāo)電位下的能量。值得注意的是，在半導(dǎo)體存在缺陷或者與其它材料復(fù)合時(shí)，實(shí)際的帶隙結(jié)構(gòu)計(jì)算可能存在偏差，一般通過前面提到的測(cè)試方法與該計(jì)算結(jié)合使用，得到比較合理的測(cè)試結(jié)果。6.附錄（常用半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)）附件下載地址：https:/pan.baidu.Com/s/1GRenMLRQxUXmOPOiPXDikA提取碼：pvs9參考文獻(xiàn)：1 S.

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