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1、半导体材料电学参数测量(electric parameter measurement for semiconductor material)电学参数是半导体材料钡0 量的重要内容。它主要包括导电类型、电阻率、寿命和迁移率测量。导电类型测量半导体的导电过程存在电子和空穴两种载流子。多数载流子是电子的称 n 型半导体；多数载流子是空穴的称p 型半导体。测量导电类型就是确定半导体材料中多数载流子的类别。常用的方法有冷热探针法、整流法等。冷热探针法是利用温差电效应的原理，将两根温度不同的探针与半导体材料表面接触，两探针间外接检流计(或数字电压表)形成一闭合回路，根据两个接触点处存在温差所引起的温差电流
2、(或温差电压)的方向可以确定导电类型。整流法是利用金属探针与半导体材料表面容易构成整流接触的特点，可根据检流计的偏转方向或示波器的波形测定导电类型。常用三探针或四探针实现整流接触。霍耳效应亦可测定半导体材料的导电类型。电阻率测量电阻率是长1cm，截面积 1cm2材料的电阻，它反映了半导体材料导电能力的大小。测量电半阻率的方法较多，最基本的有两探针法、直线四探针法、扩展电阻法和专门用于薄片状半导体材料的范德堡法等。两探针法是在一电阻率均匀的规则样品上通过恒定的直流电流，两根沿电流方向排列的探针与样品压触，测量两根探针间的电位差(图 1)。式中 VT为探针间的电位差，mV；I 为通过样品的直流电流
3、，mA；A为样品截面积，cm2；L 为探针间距，cm。直线四探针法是用一直线排列的四根探针与一相对于探针间距是半无穷大的样品表面压触，外面探针通过恒定直流电流，测定中间两根探针的电位差(图 2)。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 7 页 -图 2 四探针法测量半导体电阻率示意图样品的电阻率可用下式计算：式中 S为探针系数，cm；V23为中间两根探针电位差的测量值，mV；I14。为通过样品的电流，mA；对于直线排列的四探针，探针系数 S为：式中 S1、S2和 S3分别为相应的探针间的距离，cm。应用直线四探针法测量时，还必须考虑样品的边界影响和由探针游移引起的误差。扩
4、展电阻法是利用单根探针与半导体材料接触时，电流展开效应引起的扩展电阻，在接触状态不变时仅与半导体材料电阻率有关的原理：式中 RS为扩展电阻，；为样品电阻率，cm；为有效电接触半径，cm。扩展电阻法对测量半导体材料微区电阻率尤为重要，它可以确定体积为10-10cm。区域的电阻率，分辨率可达1m。因此适用于抛光片、单层或多层结构外延层电阻率的测量，还可依此确定外延层(或扩散层)的厚度和过渡区的宽度。范德堡法适用于薄片状样品的电阻率测试，它要求样品的厚度和电阻率均匀，且无空洞。可在样品的边缘上制备A、B、C、D四个触点，并尽量注意。任意相邻的两点，如AB间通电流 IAB，测量另一对触名师资料总结-精
5、品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 7 页 -点 VDC，有 R1=VDCIAB；在 BC问通电流 IBC，测量 AD间的电位差VAD，有 R2=VADIBC。可得到薄片状样品的电阻率：式中 d 为样品厚度，cm；f(R1/R2)为修正系数，称为范德堡函数，可从计算或查表得到。寿命测量非平衡少数载流子从注入到因复合而消失，所经历的时间的统计平均值称为非平衡少数载流子寿命，简称寿命。寿命值与半导体材料中的重金属杂质(如铜、金、镍等)含量、晶体结构的完整性及材料电阻率有密切的关系，因此寿命值也是表征半导体材料电学性能的主要参数之一。少子寿命的直观定义是：如果稳定地向半导体中注入非平衡少数
6、载流子，从停止注入起，少子浓度因复合而减少到起始值的1e 所需的时间。测量少子寿命的方法较多，应用最广泛的是光电导衰退法，又可按信号的获取方法不同而分为直流光电导法和高频光电导法。光电导衰退法是利用一定波长的脉冲光在半导体材料内激发出非平衡少数载流子，引起样品的电导率改变，即通过样品的电流或样品上的压降发生变化。根据电流或电压信号的衰退规律测量非平衡少数载流子的寿命。直流光电导法其样品外加电压是直流电压。高频光电导法其样品外加电压是高频电压。直流光电导法需要制备良好的电极接触，而高频光电导法则不需要，使用更方便，因而使用更加广泛。迁移率测量半导体中存在外加电场时，载流子在电场中作漂移运动。低电
7、场下，载流子的漂移速度与电场强度成正比，单位电场作用下，载流子获得的漂移速度称载流子的漂移迁移率(又称电导迁移率)。迁移率与半导体材料中的杂质浓度、缺陷密度及温度有关。漂移迁移率的测量需在样品上制备两个有一定间距的整流接触，并使其分别处于正向和反向偏置状态。正向偏置结外加一正向脉冲电压，即有少数载流子注入，反向偏置结收集少数载流子。可根据示波器观察少子收集的波形，并计算出少子的漂移迁移率。亦可以从霍耳系数计算出霍耳迁移率H来，它与漂移迁移率(或电导迁移率)之间有如下关系：。式中 C和H分别是漂移迁移率和霍耳迁移率，cm2(v?s)；r 称为霍耳因子，主要与散射机构、样品温度、能带结构及磁场强度
8、等有关，它是按近于1 的比例系数。因此常用霍耳迁移率代替漂移迁移率(见半导体材料霍耳系数测量)。半导体材料测量(measurement for semiconductor material)用物理和化学分析法检测半导体材料的性能和评价其质量的方法。它对探索新材料、新器件和改进工艺控制质量起重要作用。在半导体半barl材料制备过程中，不仅需要测量半导体单晶中含有的微量杂质和缺陷以及表征其物理性能的特征参数，而且由于制备半导体薄层和多层结构的外延材料，使测量的内容和方法扩大到薄膜、表面和界面分析。半导体材料检测技术的进展大大促进了半导体科学技术的发展。半导体材料测量包括杂质检测、晶体缺陷观测、电学
9、参数测试以及光学测试等方法。杂质检测半导体晶体中含有的有害杂质，不仅使晶体的完整性受到破坏，而且也会严重影响半导体晶体的电学和光学性质。另一方面，有意掺入的某种杂质将会改变并改善半导体材料的性能，以满足器名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 7 页 -件制造的需要。因此检测半导体晶体中含有的微量杂质十分重要。一般采用发射光谱和质谱法，但对于薄层和多层结构的外延材料，必须采用适合于薄层微区分析的特殊方法进行检测，这些方法有电子探针、离子探针和俄歇电子能谱。半导体晶体中杂质控制情况见表1。表 1 半导体晶体中杂质检测法分析方法对象特点灵敏度发射光谱质谱离子探针俄歇电子能谱电
10、子探针卢瑟福散射活化分析全反射 X 光荧光晶体晶体薄膜表面薄膜表面薄膜表面可同时分析几十种元素对全部元素灵敏度几乎相同适合于表面和界面的薄层微区分析，可达 1 个原子层量级对轻元素最灵敏微米级微区分析，对重元素最灵敏可测质量大于基体的单层杂质可随薄膜剥离面分析是测表面杂质最灵敏的方法(O01100)10-6(110)10-9 一般元素 110-6轻元素，110-9 110-6(10 100)10-6 1010-9过渡金属 109cm2，轻元素 1012cm2晶体缺陷观测半导体的晶体结构往往具有各向异性的物理化学性质，因此，必须根据器件制造的要求，生长具有一定晶向的单晶体，而且要经过切片、研磨、
11、抛光等加工工艺获得规定晶向的平整而洁净的抛光片作为外延材料或离子注入的衬底材料。另一方面，晶体生长或晶片加工中也会产生缺陷或损伤层，它会延伸到外延层中直接影响器件的性能，为此必须对晶体的结构及其完整性作出正确的评价。半导体晶体结构和缺陷的主要测量方法见表2。表 2 半导体晶体结构和缺陷的主要测量方法测试项目测量方法对象和特点准确性 (1)光图定向可测晶向及其偏离角，设备简单晶向 (2)X射线照相法适用于晶向完全不知的定向，精度较高，但操作复杂，用于研究精度可达 30 (3)X射线衍射仪适用于晶向大致已知的定向和定向切割，精度高、操作简便精度可达 1 (1)化学腐蚀和金相观察设备简单、效率高，用
12、于常规测试位错 (2)X射线形貌相穿透深度约 50m，可测量晶体中位错、层错、应力和杂质团微缺陷化学腐蚀和金相观察观测无位错硅单晶中的点缺陷和杂质形成的微缺陷团名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 7 页 -(1)解理染色法载流子浓度和厚度不受限制外延层厚度 (2)红外干涉法不适用于高阻层，非破坏性，同质外延 1102m；异质外延03103m分辨率 0.5m (3)X射线干涉法厚度测量可达0.1m误差 10损伤层 X 光双晶衍射法可观测晶片经化学机械抛光后的表面缺陷和应力划痕等电学参数测试半导体材料的电学参数与半导体器件的关系最密切，因此测量与半导体导电性有关的特征参数
13、成为半导体测量技术中最基本的内容。电学参数测量包括导电类型、电阻率、载流子浓度、迁移率、补偿度、少子寿命及其均匀性的测量等。测量导电类型目前常用的是基于温差电动势的冷热探笔法和基于整流效应的点接触整流法。电阻率测量通常采用四探针法、两探针法、三探针法和扩展电阻法，一般适用于锗、硅等元素半导体材料。霍尔测量是半导体材料中广泛应用的一种多功能测量法，经一次测量可获得导电类型、电阻率、载流子浓度和迁移率等电学参数，并由霍尔效应的温度关系，可以进一步获得材料的禁带宽度、杂质的电离能以及补偿度。霍尔测量已成为砷化镓等化合物半导体材料电学性能的常规测试法。后来又发展了可以测量均匀的、任意形状样品的范德堡法
14、，简化了样品制备和测试工艺，得到了普遍的应用。另一类深能级杂质，其能级处于靠近禁带中心的位置，在半导体材料中起缺陷、复合中心或补偿的作用，而且也可与原生空位形成络合物，它对半导体材料的电学性质产生重大影响。对这种深能级杂质的检测比较困难，目前用结电容技术进行测量取得了较大进展，所用方法有热激电容法、光电容法和电容瞬态法，后又发展了深能级瞬态能谱法，可以快速地测量在较宽能量范围内的多个能级及其浓度。外延材料中载流子浓度的剖面分布采用电容一电压法，可测深度受结或势垒雪崩击穿的限制，随浓度的增加而减小。在此基础上建立的电化学电容一电压法，它是利用电解液阳极氧化来实现载流子浓度剖面分布的连续测量，特别
15、适用于-V 族化合物半导体材料和固溶体等多层结构的外延材料。测量半导体材料中少数载流子寿命的方法有多种，广泛应用的是交流光电导衰退法，简便迅速，测量范围为10103s。，适合于锗、硅材料。半导体材料电学参数测量方法列于表3 中。表 3 半导体材料电学参数测量方法测试项目测量方法对象和特点 (1)冷热探笔法适用于电阻率不太高的材料，硅100cm；锗o2eV，时间常数 10-4s 的缺陷能级 (2)热激电容同上，都用于pn 结缺陷能级位置浓度的测定载流子浓度 (3)光电容灵敏度高，可测Eo3eV，时间常数 102s 的缺陷能级 (4)深能级的瞬态谱灵敏度高(10-4)，分辨率高(0.03eV)，时
16、间常数 10s，能级范围宽，n-GaAs可测 0.1eV 的能级，p-GaAs 和 Si 可测 0.2eV 的能级光学测试法光学检测技术对半导体材料中的杂质和缺陷具有很高的灵敏度，可以检测非电活性杂质以及杂质与结构缺陷形成的络合物，而且在量子能量和样品空间大小的探测上具有很高的分辨率，特别适合于微区薄层和表面分析。除了用于锗、硅晶体中超微量杂质的分析外，由于-V 族化合物半导体材料中存在部分离子键成分，光与晶体中电子的耦合比较强，使光学效应大大增强。这些材料又广泛用于光电器件，光谱范围处于可见光和近红外区域，测试仪器不太复杂，探测器的灵敏度高，因此特别适合于-V族一类的化合物半导体材料。光学测
17、试主要用于杂质的识别和超微量分析，而且利用发光光谱可以研究与杂质、缺陷、位错、应力、补偿率等的对应关系，作出晶体均匀性和完整性的判据，因此光学分析得到了广泛的应用。半导体材料光学测量法列于表4 中。表 4 半导体材料光学测量法测试方法测试内容特点红外干涉法外延层厚度测量范围 0.5 15m，快速、精确、非破坏性红外吸收法(1)硅中氧、碳含量检测限：氧(8K)3 1013cm-3；碳(300K)1016cm-3(2)非掺 SiGaAs中 EL2深能级检测范围 151016cm-3(1)硅单晶中基磷、基硼含量检测限：B11011cm3，P51011cm3(2)GaP：N中含氮浓度测量范围 5101711019cm3名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 7 页 -光荧光法(3)杂质的识别GaAs中 Sn1012cm3，Cd，Zn1014cm3，以及杂质与空位的络合物(4)晶体或外延层均匀性名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 7 页 -