0.28 eV浅陷阱+0.45 eV深陷阱：ToF瞬态光电流揭示非晶硒导带DOS非单调分布

1 背景与问题

非晶半导体，特别是非晶硒，因其独特的电学特性在光感受器和X射线探测器等器件中备受关注。与晶体半导体不同，非晶硒缺乏长程有序结构，导致其迁移率间隙内存在广泛的局域态分布。这些局域态作为载流子的陷阱中心，深刻影响着材料的输运参数、复合及俘获过程。

为了提升非晶硒在电气和光电器件中的效能，必须深入理解其电子输运特性，特别是态密度（DOS）和载流子迁移率。传统的测试方法往往难以区分弥散输运和非弥散输运，也难以精确量化深浅能级的分布。因此，采用高精度的瞬态测试技术来直接探测载流子的动力学行为成为解决这一挑战的关键。

2 核心方案

本研究采用飞行时间法结合瞬态光电流分析，对非晶半导体的电子输运特性进行了全面考察。核心目标是通过数值模拟和ToF测量，确定非晶硒中的态密度，并评估空穴迁移率对温度和电场的依赖关系。

研究引入了拉普拉斯变换分析方法，结合多重捕获模型，对ToF光电流瞬态信号进行处理。该方法具有显著优势：

能够直接重构态密度，无需预设特定的能级分布函数形式（如指数或高斯分布）。

适用于弥散和非弥散输运机制。

可以利用整个ToF光电流信号，保留完整的载流子输运动力学信息。

在ToF实验中，通过脉冲激光在材料表面产生电子-空穴对，施加偏置电场使载流子漂移，通过测量其渡越时间来计算迁移率：

其中L为样品厚度，F为电场强度。

图1.不同温度和电场下非晶半导体中空穴的模拟TOF电流。

3 实验结果与分析

研究团队通过数值模拟和实验数据分析，成功重构了非晶硒导带尾部的局域态分布，并模拟了空穴迁移率随温度和电场的变化。

3.1 局域态分布（DOS）重构

通过拉普拉斯变换分析，研究揭示了非晶硒中态密度的非单调分布特征。重构的DOS呈现出高斯状分布，并在不同温度下表现出明显的双峰结构：

(1) 浅陷阱峰：位于E−Ec≈0.28−0.30eV。在低温下（-40°C, -25°C）更为显著，因为较低的热能限制了载流子进入导带边缘附近的态；

(2) 深陷阱峰：位于E−Ec≈0.45−0.50eV。在较高温度下（-10°C至+23°C）变得突出，载流子获得足够的热能以填充和逃离这些深局域态。

图2.通过数值计算的ToF瞬态光电流确定的纯a-Se局域态分布。

这一结果与早期的预渡越光电流分析得出的浅缺陷态能级（Esc=0.28±0.02eV）高度一致，验证了拉普拉斯变换方法在解析导带边缘能量分布方面的准确性。

3.1 空穴迁移率与温度依赖性

研究利用Arrhenius图分析了空穴迁移率随温度倒数(1/T)的变化。在192 K至238 K的温度范围内，迁移率随温度升高而增加，表现出热激活输运机制。

下表展示了在不同电场和温度下模拟的空穴迁移率数据：

表1. 稳定态a-Se中模拟的空穴迁移率。

图3. 不同电场下空穴迁移率的对数随温度倒数的变化关系。

3.3 激活能与Poole-Frenkel效应

通过Arrhenius图的斜率提取了激活能。研究发现激活能随电场增加而减小，表现出典型的Poole-Frenkel效应，即电场辅助的热发射机制。

拟合得到的Poole-Frenkel系数为βPF=2.4×10⁻⁴eV(V cm⁻¹)^−1/2，外推至零场的激活能约为0.28 eV。这有力地证明了该材料中的电荷输运主要由局域态的场辅助热发射主导。

图4. 激活能随电场变化的关系。

4 设备介绍

FlyTOF

激光诱导电流/迁移率与低温光电测试

FlyTOF是一款飞行时间法迁移率测量与变温光电测试平台，用于直接研究半导体材料中电子和空穴的本征输运。系统通过脉冲激光、偏置电场和瞬态电流采集获得载流子渡越时间与迁移率。适用于有机半导体、探测器晶体、钙钛矿和光伏材料的输运及陷阱机制研究。有机半导体、钙钛矿、辐射探测晶体和厚膜器件的迁移率常受陷阱、温度和电场影响。FlyTOF通过飞行时间法直接测得渡越时间，可与SCLC、霍尔测量和瞬态光电方法互相验证，适合研究电子/空穴输运不平衡及陷阱限制输运。

4.1 技术特点

(1) 基于飞行时间法直接测量载流子渡越时间，获得电子或空穴迁移率及相关输运信息；

(2) 配置266、337、532nm等窄线宽激发源、2-1000 V偏置和多档信号量程，覆盖皮秒至秒级采集时间；

(3) 温度范围覆盖78-500 K，并可由测试软件直接控制，用于研究迁移率与陷阱过程的温度依赖；

(4) 样品台具备多轴位移和红外可视化功能，可在暗室中完成光斑对位与多器件切换；

(5) 变温与电场依赖测量可用于区分本征输运、陷阱限制输运和散射机制，并比较电子与空穴迁移率。

4.2 设备优势

(1) 相较SCLC等间接迁移率方法，TOF基于载流子渡越时间直接获得迁移率，可作为输运参数的重要验证手段；

(2) 变温、激光激发与瞬态电流采集集成，可进一步分析陷阱、散射及输运机制；

(3) 相较传统TOF光路搭建，可视化对位和专用晶体夹具降低实验门槛并提高样品间复现性；

(4) 将TOF、变温和可视化对位整合为标准化系统，可减少自建光路的调试成本，并使迁移率测量更容易跨样品比较。

原文参考：Investigation of density of states and charge carrier mobility in amorphous semiconductors via time-of-flight photocurrent analysis