本發(fā)明屬于表界面分析領(lǐng)域，特別涉及一種測(cè)量半導(dǎo)體薄膜材料第一電子親和勢(shì)的方法。

背景技術(shù)：

1、表界面科學(xué)跨越物質(zhì)、能源和信息等眾多基礎(chǔ)學(xué)科，是催化、超導(dǎo)和芯片等的共性科學(xué)基礎(chǔ)。固體的電學(xué)、光學(xué)和化學(xué)性質(zhì)深受其占據(jù)態(tài)和未占據(jù)態(tài)電子結(jié)構(gòu)的共同影響。在半導(dǎo)體材料中，費(fèi)米能級(jí)兩側(cè)的電子結(jié)構(gòu)對(duì)雜質(zhì)摻雜、能帶調(diào)控以及器件的研發(fā)與應(yīng)用至關(guān)重要，尤其是未占據(jù)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)，它直接決定了電荷的轉(zhuǎn)移和輸運(yùn)性能，因此測(cè)定未占據(jù)態(tài)的能級(jí)結(jié)構(gòu)非常重要。

2、第一電子親和能(ea)，也稱為第一電子親和勢(shì)，描述一個(gè)原子或者分子獲得一個(gè)電子時(shí)所放出的最小能量。在能帶理論中第一電子親和勢(shì)常用于表示導(dǎo)帶底位置ecbm或者最低未占據(jù)分子軌道位置elumo到真空能級(jí)所需要的能量。第一電子親和勢(shì)可以表征受體接受電子的能力，第一電子親和勢(shì)越大，電子越能有效地注入受體導(dǎo)帶或者未占據(jù)分子軌道,越有利于給受體界面的激子分離。真空系統(tǒng)中，紫外光電子能譜可以研究固體表面價(jià)層電子或占據(jù)態(tài)分子軌道信息涉及價(jià)帶或者占據(jù)態(tài)分子軌道和真空能級(jí)之間的能量范圍；反光電子能譜可以研究固體表面未被電子占據(jù)的空電子態(tài)主要涉及導(dǎo)帶或未占據(jù)態(tài)分子軌道和真空能級(jí)之間的能量范圍。通過主超高真空系統(tǒng)中紫外光電子能譜和反光電子能譜聯(lián)用技術(shù)的互補(bǔ)性，探究半導(dǎo)體薄膜材料費(fèi)米能級(jí)附近的能級(jí)分布與相互關(guān)聯(lián)，建立表界面精準(zhǔn)的第一電子親和勢(shì)關(guān)鍵能級(jí)信息探究方法成為研究的關(guān)鍵。

3、第一電子親和勢(shì)的獲得方法有理論計(jì)算法和慢電子速度成像法。由于樣品的制備環(huán)境、保存環(huán)境不同導(dǎo)致和理論計(jì)算值會(huì)有很大不同，因此導(dǎo)致理論計(jì)算法不夠準(zhǔn)確和精確的描述半導(dǎo)體薄膜材料的未占據(jù)態(tài)能級(jí)信息；慢電子速度成像法為實(shí)驗(yàn)法，經(jīng)常用于測(cè)試元素的第一電子親和勢(shì)，極少研究半導(dǎo)體材料，并且慢電子速度成像儀一般主要是由實(shí)驗(yàn)室自行搭建，為獲得高精度和準(zhǔn)確度的成像各組成部件價(jià)格昂貴，并且搭建過程不可控等諸多因素，普及性不高。因此，亟需一種操作簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確度高，普適的測(cè)量方法確定半導(dǎo)體薄膜材料的第一電子親和勢(shì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的，在于提供一種測(cè)量半導(dǎo)體薄膜材料第一電子親和勢(shì)的方法，可解決理論計(jì)算法和慢電子速度成像法獲得第一電子親和勢(shì)的弊端，本發(fā)明測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度大大提高。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

3、本發(fā)明提供一種測(cè)量半導(dǎo)體薄膜材料第一電子親和勢(shì)的方法，包括以下步驟：

4、標(biāo)定步驟：

5、將真空紫外光電子能譜系統(tǒng)和反光電子能譜系統(tǒng)置于同一主超高真空室中，對(duì)同一標(biāo)準(zhǔn)樣品分別采集真空紫外光電子能譜譜圖和反光電子能譜譜圖，確定其真空紫外光電子能譜和反光電子能譜費(fèi)米能級(jí)ef的位置，并且分別對(duì)費(fèi)米能級(jí)ef進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)完后的費(fèi)米能級(jí)ef=0?ev；

6、測(cè)試步驟：

7、應(yīng)用真空紫外光電子能譜系統(tǒng)，采集待測(cè)半導(dǎo)體薄膜材料的紫外光電子能譜譜圖，獲得其相對(duì)于費(fèi)米能級(jí)ef的二次電子截止邊能量位置ecut-off，獲取功函數(shù)wf；

8、應(yīng)用反光電子能譜系統(tǒng)，采集所述待測(cè)半導(dǎo)體薄膜材料的反光電子能譜譜圖，獲得其相對(duì)于費(fèi)米能級(jí)ef的導(dǎo)帶底位置ecbm或最低未占據(jù)分子軌道位置elumo；

9、計(jì)算步驟：

10、計(jì)算所述待測(cè)半導(dǎo)體薄膜材料的第一電子親和勢(shì)數(shù)值，表述為ea=|wf|-|ecbm|或ea=|wf|-|elumo|。

11、進(jìn)一步地，所述真空紫外光電子能譜系統(tǒng)所用光源為紫外光，能量為21.22?ev；所述反光電子能譜系統(tǒng)的所用電子加速電壓可調(diào)連續(xù)能量為5~50?ev。

12、進(jìn)一步地，所述校準(zhǔn)完后的費(fèi)米能級(jí)ef為0?ev，正方向指向芯能級(jí)。

13、進(jìn)一步地，所述標(biāo)定步驟中的所述標(biāo)準(zhǔn)樣品為純金屬ni。

14、值得說明的是，純金屬ni具有強(qiáng)而陡的費(fèi)米邊，并且性質(zhì)穩(wěn)定、易于清除表面污染的優(yōu)點(diǎn)。

15、進(jìn)一步地，所述測(cè)試步驟中，應(yīng)用真空紫外光電子能譜系統(tǒng)，采集待測(cè)半導(dǎo)體薄膜材料的紫外光電子能譜譜圖，進(jìn)行二次電子截止邊位置的測(cè)定時(shí)施加-5~-10?ev的偏壓p。

16、值得說明的是，光電子運(yùn)動(dòng)過程中，由于電子-電子碰撞不可避免，二次電子截止邊能量位置是由大量的二次電子或者能量損失的光電子組成。由于儀器自身也有功函數(shù)，二次電子及低能電子在運(yùn)動(dòng)過程中要克服儀器功函數(shù)才能進(jìn)入能量分析器，所以為了使二次電子或者能量損失的電子都能夠進(jìn)入能量分析器，一般會(huì)施加-5~-10?ev的偏壓p。

17、進(jìn)一步地，所述測(cè)試步驟中獲得其相對(duì)于費(fèi)米能級(jí)ef的二次電子截止邊能量位置ecut-off，包括：

18、在真空紫外光電子能譜譜圖高的電子結(jié)合能處截止邊陡直上升部分線性外推，取其與本底噪聲基線的交點(diǎn)，作為二次電子截止邊能量位置ecut-off。

19、值得說明的是，二次電子截止邊能量位置對(duì)應(yīng)紫外光轟擊樣品表面后被檢測(cè)到的光電子信號(hào)具有其相對(duì)費(fèi)米能級(jí)正方向最高的電子結(jié)合能的位置，即具有最低的光電子動(dòng)能所對(duì)應(yīng)的光電子信號(hào)截止位置。

20、進(jìn)一步地，所述功函數(shù)wf為電子從費(fèi)米能級(jí)到達(dá)真空能級(jí)evac所需最小能量，wf=21.22-[ecut-off-p]。

21、進(jìn)一步地，所述測(cè)試步驟中獲得其相對(duì)于費(fèi)米能級(jí)ef的導(dǎo)帶底位置ecbm或最低未占據(jù)分子軌道位置elumo；包括：

22、沿反光電子能譜譜圖高的電子結(jié)合能處起始邊陡直上升部分線性外推，取其與本底噪聲基線的交點(diǎn)即為導(dǎo)帶底位置ecbm或者最低未占據(jù)分子軌道elumo。

23、值得說明的是，導(dǎo)帶底位置ecbm或者最低未占據(jù)分子軌道elumo對(duì)應(yīng)注入待測(cè)樣品表面不同能量的低能電子產(chǎn)生的光子信號(hào)相對(duì)費(fèi)米能級(jí)負(fù)方向最高結(jié)合能的起始位置。

24、進(jìn)一步地，所述標(biāo)定步驟和測(cè)試步驟在同一光電子能譜儀中進(jìn)行，所述光電子能譜儀真空紫外光電子能譜系統(tǒng)和反光電子能譜系統(tǒng)，真空度優(yōu)于9*10-7pa。

25、值得說明的是低能電子、光電子、光子信號(hào)很容易被殘余氣體分子所散射，使得譜圖的信號(hào)強(qiáng)度減弱，所以必須要超高真空技術(shù)來減小殘余氣體分子的濃度，只有在超高真空條件下，低能電子、光電子、光子才能獲得足夠長(zhǎng)的平均自由程，而不被散射損失掉。其次，更為重要的是超高真空環(huán)境是表面分析技術(shù)本身的表面靈敏性所必須的。在10-5?pa真空下，大約1秒鐘就會(huì)有一個(gè)單層的氣體吸附在固體表面，這與典型的譜圖采集時(shí)間相比太短。因此在分析過程中就需要超高真空環(huán)境來保持樣品表面的清潔。在超高真空中，材料表面可以得到“原子級(jí)清潔”的狀態(tài)，因此測(cè)試結(jié)果更加符合材料本身。并且紫外光電子能譜系統(tǒng)所用紫外光能量為氦i，光子能量為21.22?ev；反光電子能譜系統(tǒng)所用電子槍發(fā)射能量小于50?ev。兩者能量較低，激發(fā)過程中不包括芯能級(jí)激發(fā)，因此可避免芯能級(jí)激發(fā)或者退激發(fā)時(shí)伴隨的“馳豫過程”引起的信號(hào)失真，測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度大大提高。

26、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

27、本發(fā)明的目的是在超高真空環(huán)境中，將紫外光電子能譜技術(shù)和反光電子能譜技術(shù)相結(jié)合，不僅能獲得相對(duì)于費(fèi)米能級(jí)ef的二次電子截止邊能量位置ecut-off以及功函數(shù)wf，還可以獲得導(dǎo)帶底位置ecbm或獲得最低未占據(jù)分子軌道位置elumo，而且通過計(jì)算進(jìn)一步獲得半導(dǎo)體薄膜材料的第一電子親和勢(shì)數(shù)值ea，該測(cè)量方法便捷、操作過程簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確度高、普適性強(qiáng)。