TOF高精度载流子迁移率测试系统优化方案

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：已有很多文章对载流子迁移率的重要性进行研究。图7-4所示为TOF实验装置图［8］。图7-4TOF系统2.TOF系统中的实际使用问题薄膜的厚度。TOF方法只适合载流子迁移率在10-7～10-1 cm2／V·sec范围，迁移率太高和太低都不适合。电子迁移率和空穴迁移率。在TOF系统中，数据的重复性包含了测量数据的可重复性及光电器件的可重复性。

迁移率是衡量半导体导电性能的重要参数，它决定半导体材料的电导率，影响器件的工作速度。已有很多文章对载流子迁移率的重要性进行研究。迁移率移率的相关概念在半导体材料中，由某种原因产生的载流子处于无规则的热运动，当外加电压时，导体内部的载流子受到电场力作用，做定向运动形成电流，即漂移电流，定向运动的速度成为漂移速度，方向由载流子类型决定。在电场下，载流子的平均漂移速度v与电场强度E成正比为

式中μ为载流子的漂移迁移率，简称迁移率，表示单位电场下载流子的平均漂移速度。

1.TOF工作流程

飞行时差（time of flight，TOF）技术是目前用以测量载流子迁移率最有效、最广泛的方法。图7-4所示为TOF实验装置图［8］。

工作过程：首先准备好薄膜器件，并施加偏转电压；开启激光器，激光激发材料产生光生载流子；在光脉冲的激发下，在ITO透明电极一侧将产生电子—空穴对，在电场作用下，一种载流子会在有机半导体样品中传输并被另一侧的电极接受。载流子在电场的作用下会定向运动，并由示波器记录漂移电流与时间的关系并最终计算得到载流子迁移率。

设外加偏压为V，空穴穿过薄层经历的时间为t（飞行时间），薄层厚度为d，则迁移率可表达为

所以迁移率与薄膜厚度、施加偏压、飞行时间相关。

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图7-4　TOF系统

2.TOF系统中的实际使用问题

（1）薄膜的厚度。TOF方法只适合单层器件，因为最终测量的是光生载流子从薄膜的一端运动到另一端的时间，所以薄膜的厚度就非常重要。一般来说，十几微米是比较合适的，最低也要1微米。如果太薄，载流子的运动距离就很短，就会造成比较大的测量误差。

几微米或是十几微米对于有些人来说实在太厚了，因为通常人们也就做几十或几百纳米的薄膜，而且对于一些合成材料，如果做热蒸发镀膜的话，消耗的样品太多了，这时候，可以考虑旋涂，虽然对于薄膜的生长来说不如热蒸镀做得好，但是对于迁移率的测试一般来说是没有问题的。

（2）偏压的施加。通常情况下，施加的偏压不超过50 V，10～30 V居多。在测试中，要务必保证施加电压的稳定性。

（3）迁移率的范围。TOF方法只适合载流子迁移率在10-7～10-1 cm2／V·sec范围，迁移率太高和太低都不适合。

（4）激发波长。选定合适的激发波长非常重要，也就是说激光器的发射波长要匹配材料的最大吸收波长，只有这样才能实现载流子的有效激发。市面上有好多可调波长的激光器都可以使用。而且对于TOF方法来说，对激光器的波宽没有太高要求，但是脉冲时间越短越好。

（5）激光器发射功率。对于TOF方法来说，激光器的发射功率绝非越大越好。因为TOF方法要求载流子从薄膜的一端运动到另一端，也就是要求载流子要在薄膜的表层产生，如果激光器的发射功率太大，激光就会越过薄膜的表层进入深层，进而在薄膜的深层激发出载流子，薄膜深层的载流子也会在施加偏压的作用下运动到另一端，这样就造成了测量的不准确。当然激光器的发射功率也绝非越小越好，因为最终需要得到一条信噪比合适的I-t曲线。

（6）薄膜的温度控制。自建的系统很多只能在室温下完成测试，对于一些具有温度相变的材料来说并不适用。因此，对于一些有特殊需求的人来说，测量台的温度控制就很重要。

（7）电子迁移率和空穴迁移率。目前所报道的材料的迁移率主要是空穴迁移率且电子迁移率数值要小很多。对于测试过程来说，两者并没有明显的不同，关键还在于材料本身的性质。

（8）数据重复性。在TOF系统中，数据的重复性包含了测量数据的可重复性及光电器件的可重复性。针对TOF系统来说，要保证数据的可重复性，需要做到：薄膜厚度均一、薄膜固定装置稳定、偏压稳定、光源强度稳定和机械连接等方面。

TOF高精度载流子迁移率测试系统优化方案

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