測量半導體材料無序度的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導體器件技術領域，尤其涉及一種測量半導體材料無序度的方法。
【背景技術】
[0002] 無序性材料不具有有序的晶體結(jié)構(gòu)，它區(qū)別于其它材料的一個重要的特征是存在 局域電子態(tài)的能量分布。在這種材料里，載流子（例如電子或者空穴）或者被限制在一些 雜質(zhì)附近，或者被限制在一個分子、一種導電的聚合物上。由于無序性的存在，無序性材料 的載流子傳輸與具有完整晶體結(jié)構(gòu)的材料明顯不同，載流子在這些無序性材料里的傳輸總 是通過躍迀在兩個局域態(tài)間進行。
[0003] 目前，對于無序性材料，例如無序的有機半導體材料，非晶態(tài)的氧化物半導體材料 等，已有大量的實驗和理論工作研宄其的載流子傳輸特性，結(jié)果表明，載流子的迀移率總是 隨著材料無序性的增加而減小；另外，通過增加適當?shù)臒o序度，可以調(diào)制載流子的傳輸特 性，既不但可以調(diào)節(jié)連續(xù)的從一個從非Arrhenius到Arrhenius溫度激活的載流子傳輸?shù)?轉(zhuǎn)變，而且還能夠誘發(fā)載流子band-like傳輸?shù)陌l(fā)生?？梢?，材料的無序性程度對于無序性 材料的載流子的傳輸特性具有重要的作用。
[0004] 但是，由于無序度是一種宏觀概念的定義，目前，很難通過實驗測量出材料無序度 的大小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 由上所述，本發(fā)明的目的在于根據(jù)對相關研宄領域現(xiàn)狀的分析，基于材料變溫下 的賽貝克系數(shù)的值及載流子的躍迀理論，提出一種探測材料無序度的方法，此方法操作簡 單，可廣泛應用于各種半導體材料無序度的測量，如有機半導體，非晶半導體等。
[0006] 為此，本發(fā)明提供了一種測量半導體材料無序度的方法，包括：步驟1，測量半導 體材料的賽貝克系數(shù)；步驟2,基于半導體材料的無序性特征，選擇一種狀態(tài)密度函數(shù)；步 驟3,通過滲流理論計算在選定狀態(tài)密度函數(shù)下半導體材料的賽貝克系數(shù)值；步驟4,提取 半導體材料的無序度。
[0007] 其中，步驟1進一步包括步驟：使用四端接觸法測量半導體材料的電阻值；將測得 電阻值轉(zhuǎn)換成半導體材料的溫度值；測量熱電壓；采用公式S =△ V/△ T計算半導體材料 的賽貝克系數(shù)，其中ΔΥ是熱電壓的變化值，ΛΤ是溫度變化值。
[0008] 其中，通過使用步進溫度掃描法和在等溫條件下測量獲得的電阻值對溫度值進行 校正。
[0009] 其中，步驟2的狀態(tài)密度函數(shù)為公式⑴表示的高斯狀態(tài)密度函數(shù)
【主權(quán)項】
1. 一種測量半導體材料無序度的方法，包括； 步驟1，測量半導體材料的賽貝克系數(shù)； 步驟2,基于半導體材料的無序性特征，選擇一種狀態(tài)密度函數(shù)； 步驟3,通過滲流理論計算在選定狀態(tài)密度函數(shù)下半導體材料的賽貝克系數(shù)值； 步驟4,提取半導體材料的無序度。
2. 如權(quán)利要求1的方法，其中，步驟1進一步包括步驟： 使用四端接觸法測量半導體材料的電阻值； 將測得電阻值轉(zhuǎn)換成半導體材料的溫度值； 測量熱電壓； 采用公式S=AV/AT計算半導體材料的賽貝克系數(shù)，其中AV是熱電壓的變化值，AT是溫度變化值。
3. 如權(quán)利要求2的方法，其中，通過使用步進溫度掃描法和在等溫條件下測量獲得的 電阻值對溫度值進行校正。
4. 如權(quán)利要求1的方法，其中，步驟2的狀態(tài)密度函數(shù)為公式（1)表示的高斯狀態(tài)密度 函數(shù)
，其中，Nt表示單位體積的狀態(tài)數(shù)量，E表示歸一化 后的能量，〇/1^151'表示無序度，1^15表示玻爾茲曼常數(shù)。
5. 如權(quán)利要求4的方法，其中，步驟3進一步包括： 根據(jù)滲流理論，Peltier系數(shù)n通過下式（3)計算獲得； 11=/￡1口巧1)祀1， （3)， 式中P巧1)表示能量空間中一個具有能量M立置的概率，可化圍過下式（4)獲得
(4)， 式中g巧1)表示單位體積的狀態(tài)密度，Em表示最大的位能，Pi狂mlEi)表示來自位能& 第二小的電阻概率，其值小于最大電阻值，可通過下式（5)計算獲得， Pi狂JEi) = 1-exp[-P狂JEi) ] [1+P狂JEi) ] (5)， 上式中P狂jEi)表示帶的密度； 根據(jù)Kelvin-化sager關系，通過把公式（1)、（3)、（4)、（5)代入W下公式（2)則可計 算出理論的賽貝克系數(shù)值：
(2) 式中n為公式做的Peltier系數(shù)，T為溫度。
6. 如權(quán)利要求5的方法，其中，P狂m|Ei)值可通過聯(lián)立解W下公式化）、（7)和（8)得 到
((，） P狂J Ei) = /431Ri/g巧1) g巧J) dR。'祀i祀J0(Sc-S。') (7) P狂JEi) =BcPs=B。/g巧)祀 0(SckeT-1E-EfI)巧） 其中，a表示晶格常數(shù)的倒數(shù)，R。表示位置i和位置j的空間距離，E康示費米能級，Ei和Ej.分別表示位置i和位置j的能量，kB表示波爾茲曼常數(shù)，B。表示滲流參數(shù)（一般為 2. 8)，T為溫度，g巧）為高斯狀態(tài)密度，S為賽貝克系數(shù)。
7. 如權(quán)利要求1的方法，其中，步驟4進一步包括： 選擇合適的無序度數(shù)值0 ; 通過改變溫度T的大小模擬計算出材料隨載流子濃度變化的賽貝克系數(shù)值S; 將步驟3計算出的不同溫度下的賽貝克系數(shù)理論值與步驟1測得的實驗值相進行比 較； 如果理論值與實驗值相對誤差值小于5%，則所選擇的0值為半導體材料的無序度， 如果理論值與實驗值的誤差大于5%，需重新選擇0值并重新計算不同溫度下賽貝克系數(shù) 值，重復W上步驟直至理論值與實驗值相對誤差值小于5%。
8. 如權(quán)利要求1的方法，其中，步驟1在高真空條件下進行。
【專利摘要】一種測量半導體材料無序度的方法，包括：步驟1，測量半導體材料的賽貝克系數(shù)；步驟2，基于半導體材料的無序性特征，選擇一種狀態(tài)密度函數(shù)；步驟3，通過滲流理論計算在選定狀態(tài)密度函數(shù)下半導體材料的賽貝克系數(shù)值；步驟4，提取半導體材料的無序度。依照本發(fā)明的測量無序度的方法，基于材料變溫下的賽貝克系數(shù)的值及載流子的躍遷理論，通過理論與實驗相結(jié)合的方法探測半導體材料的無序性參數(shù)，獲得的無序性參數(shù)為分析半導體材料的微觀物理機制提供理論指導，提取的無序性參數(shù)可以直接用于分析半導體材料的電介質(zhì)特性，從而為制造高性能的半導體器件提供指導。
【IPC分類】G01N25-00
【公開號】CN104792810
【申請?zhí)枴緾N201510227994
【發(fā)明人】盧年端, 李泠, 劉明
【申請人】中國科學院微電子研究所
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年5月7日