半導體材料測試技術(shù)課件

半導體材料測試技術(shù)

李梅重點實驗室半導體材料測試技術(shù)半導體的檢測與分析是一個介于基礎研究與應用研究之間的涉及內(nèi)容很廣而又不斷蓬勃發(fā)展的領域。目前對光電子材料進行物理和化學研究的方法很多，有透射電鏡、光熒光、拉曼光譜、背散射、二次電子譜、俄歇、電化學C-V和X射線雙晶衍射等。本課程主要是根據(jù)我們實驗室現(xiàn)有的實驗設備進行實驗教學，重點介紹X射線雙晶衍射技術(shù)、光致發(fā)光分析方法、電化學CV分布測量技術(shù)、霍爾效應測量等方法的基本原理及其在半導體中的應用。半導體材料測試技術(shù)ppt課件目錄

X射線雙晶衍射技術(shù)

光致發(fā)光分析方法霍爾效應測量原理電化學C-V分布測量技術(shù)掃描電子顯微鏡的原理及應用目錄X射線雙晶衍射技術(shù)第一章X射線雙晶衍射技術(shù)X射線是1895年11月8日由德國物理學家倫琴（W.C.Rontgen）在研究真空管高壓放電現(xiàn)象時偶然發(fā)現(xiàn)的。由于當時對這種射線的本質(zhì)和特性尚無了解，故取名為X射線，后人也叫倫琴射線。從1895到1897年間，他搞清楚了X射線的產(chǎn)生、傳播、穿透力等大部分特性。倫琴的這一偉大發(fā)現(xiàn)使得他于1901年成為世界上第一位諾貝爾獎獲得者。X射線發(fā)現(xiàn)近半年就被醫(yī)務界用來進行骨折診斷和定位了，隨后又用于檢查鑄件中的缺陷等。

第一章X射線雙晶衍射技術(shù)X射線是189優(yōu)點對于研究材料的結(jié)晶完整性、均勻性、層厚、組分、應變、缺陷和界面等重要信息，X射線雙晶衍射方法具有獨特的優(yōu)勢。首先它是非破壞性的，其次是精度高，方法簡便。它不僅為材料生長工藝提供準確的參數(shù)，用來指導生長工藝，同時也為器件研究和物理研究提供了可靠的基礎。這里主要介紹X射線雙晶衍射方法在光電子材料中的應用，其中包括異質(zhì)外延晶格失配、單量子阱和超晶格結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定和測量等。

優(yōu)點對于研究材料的結(jié)晶完整性、均勻性、層厚、組第一節(jié)X射線的性質(zhì)及產(chǎn)生一、X射線的性質(zhì)X射線在本質(zhì)上與可見光相同，都是一種電磁波，但它的波長要短的多。通常，X射線的波長范圍約為0.01?到100?，介于γ射線和紫外線之間。在研究晶體結(jié)構(gòu)時常用的X射線波長約在2.5?--0.5?之間。因為X射線的波長很短、能量很高，所以有很強的穿透物體的能力。一般稱波長短的X射線為硬X射線，反之稱為軟X射線，以此來表示它們的穿透能力。

第一節(jié)X射線的性質(zhì)及產(chǎn)生一、X射線的性質(zhì)二、

X射線的產(chǎn)生X射線是由高速運動著的帶電粒子與某種物質(zhì)撞擊后突然減速，且與該物質(zhì)中的內(nèi)層電子相互作用而產(chǎn)生的。

X射線產(chǎn)生要有幾個基本條件：（1）產(chǎn)生自由電子；（2）是電子作定向高速運動；（3）在電子運動的路徑上設置使其突然減速的障礙物。所以X射線發(fā)生器的構(gòu)造原理如圖所示：

二、

X射線的產(chǎn)生X射線是由高速運動半導體材料測試技術(shù)ppt課件1、陰極，陰極系燈絲，陰極的功能是發(fā)射電子。2、陽極，陽極又稱之為靶（target）。是使電子突然減速并發(fā)射X射線的地方。當高速運動的電子與陽極相碰時，便驟然停止運動。此時電子的能量大部分變?yōu)闊崮?，一部分變成X射線光能，由靶面射出。3、窗口，窗口是X射線射出的通道。窗口材料要求既要有足夠的強度以維持館內(nèi)的高真空，又要對X射線的吸收較小，較好的材料是金屬鈹。半導體材料測試技術(shù)ppt課件三、X射線譜

三、X射線譜當高速的陰極電子流轟擊陽極時，便將陽極物質(zhì)原子深層的某些電子擊出而轉(zhuǎn)移到外部殼層，這時原子就處于不穩(wěn)定狀態(tài)。這樣，外層的電子立即又會躍遷到內(nèi)部填補空位，使原子的總能量降低，而多余的能量就以一定波長的X射線發(fā)射出去，形成了特征X射線。圖8-4示出了產(chǎn)生特征X射線的示意圖。由圖可以看出，把K層電子躍遷到外層時的激發(fā)稱為K系激發(fā)，把電子由原子外層躍遷回此時空的K殼層產(chǎn)生的X射稱為K系輻射。把K系輻射中電子由L殼層轉(zhuǎn)移到K殼層的輻射稱為Kα輻射；當高速的陰極電子流轟擊陽極時，便將陽極物質(zhì)原子深層的由M殼層轉(zhuǎn)移到K殼層的輻射稱為Kβ輻射。由于M殼層的能量較L殼層高，產(chǎn)生Kβ是原子能量降低很多，所以Kβ輻射的波長比Kα短。但是電子由M殼層躍遷到K殼層的幾率小，因此Kβ線的強度比線的小。在晶體結(jié)構(gòu)分析中常用K系X射線。K線可分為波長比較接近的Kα1和Kα2線，它們系由能級的精細結(jié)構(gòu)形成。一般來說，Kα1、Kα2和Kβ輻射的強度比接近于1：0.5:0.2。由于在X射線雙晶衍射方法的實驗中采用單色X光，故需用Ge單色器（第一晶體）把Kα2和Kβ射線濾掉。Cu靶的Kα1特征X射線波長為0.15405nm。

由M殼層轉(zhuǎn)移到K殼層的輻射稱為Kβ輻射。由于M殼層的能量較L第二節(jié)

晶體幾何學基礎一、空間點陣第二節(jié)晶體幾何學基礎一、空間點陣二、晶系

二、晶系半導體材料測試技術(shù)ppt課件三、常見的晶體結(jié)構(gòu)三、常見的晶體結(jié)構(gòu)四、晶面與晶向

晶面族，用大括號{hkl}來表示

四、晶面與晶向

晶面族，用大括號{hkl}來表示半導體材料測試技術(shù)ppt課件半導體材料測試技術(shù)ppt課件泛指晶向，用方括號[uvw]來表示;有對稱關(guān)聯(lián)的等同晶向用<uvw>表示。如<111>?泛指晶向，用方括號[uvw]來表示;有對稱關(guān)聯(lián)的等同晶向用<六方晶系的晶面和晶向指數(shù)

六方晶系的晶面和晶向指數(shù)五、晶面間距五、晶面間距半導體材料測試技術(shù)ppt課件第三節(jié)X射線雙晶衍射基本理論X射線照射到晶體上產(chǎn)生的衍射花樣，除于X射線有關(guān)系外，主要受晶體結(jié)構(gòu)的影響。晶體結(jié)構(gòu)與衍射花樣之間有一定的內(nèi)在聯(lián)系，通過衍射花樣的分析，就能測定晶體結(jié)構(gòu)與研究有關(guān)的一系列問題。X射線衍射理論能將晶體結(jié)構(gòu)與衍射花樣有機地聯(lián)系起來，它包括衍射線束的方向、強度和形狀。衍射線束的方向由晶胞中的位置和種類決定，而衍射線束的形狀大小與晶體的大小相關(guān)。

第三節(jié)X射線雙晶衍射基本理論X射線照射到晶體上產(chǎn)生的衍射花布拉格定理

布拉格定理第四節(jié)X射線雙晶衍射實驗方法

X射線雙晶衍射儀簡介

第四節(jié)X射線雙晶衍射實驗方法X射線雙晶衍射儀簡介Ｘ射線雙晶衍射實驗是在日本理學公司生產(chǎn)的D/Max-2400型Ｘ射線雙晶衍射儀上進行的，Ｘ射線源是Cu靶，Ｘ射線波長

＝0.15405nm,最大輸出功率12KW,第一晶體Ge單晶表面為(400)。為了能夠清楚地觀察到外延峰中的干涉條紋，在收集衍射數(shù)據(jù)時，必須減少第一晶體與樣品之間的狹縫尺寸，使入射到樣品上的光斑盡量減小，增加Ｘ射線平行性，減少由于樣品彎曲及Ｘ射線散射對干涉現(xiàn)象的影響，第一晶體與樣品之間選用0.05mm的狹縫。實驗結(jié)果的計算由HP工作站自動進行。

Ｘ射線雙晶衍射實驗是在日本理學公司生產(chǎn)的D/Max-2400半導體材料測試技術(shù)ppt課件半導體材料測試技術(shù)ppt課件半導體材料測試技術(shù)ppt課件XRDresultsSampleNo.FWHM(002)(arcmin.)FWHM(102)(arcmin.)OnporousSi13.419.4OnbulkSi10.632.3XRDresultsSampleNo.FWHM(00XRDresultofGaNonorderedporousSiXRDresultofGaNonorderedpXRDresultofGaNonbulkSiXRDresultofGaNonbulkSi第二章

光熒光分析方法

半導體中，熒光是由被激發(fā)的載流子輻射復合產(chǎn)生的。這些載流子包括：(i)布居于導帶中的電子和價帶中的空穴；(ii)束縛于離化雜質(zhì)上的電子和空穴；(iii)電子和空穴通過庫侖作用形成的激子，包括可以在整個晶體內(nèi)自由運動的自由激子以及由于束縛于空間上勢起伏的局域化激子等。熒光可以提供很多關(guān)于半導體晶體內(nèi)部的信息，包括電子結(jié)構(gòu)、載流子弛豫過程、局域化中心等。熒光光譜根據(jù)激發(fā)方式的不同，主要可以分為光致熒光譜(Photoluminescence，PL)、陰極熒光(Cathodeluminescence，CL)和電致熒光譜(Electroluminescence，EL)等。第二章光熒光分析方法半導體中，熒光是由被激發(fā)的載流子輻在本實驗中，我們主要的實驗手段為光致熒光譜，采用激光作為其激發(fā)光源。當激發(fā)光光子能量大于半導體禁帶寬度時，價帶的電子將會被激發(fā)至導帶，在價帶形成空穴，在導帶形成電子，這些光致激發(fā)載流子通過各種可能渠道弛豫到價帶頂和導帶底，于是電子就可以通過輻射復合方式由導帶躍遷回價帶，發(fā)出光子。輻射復合的光子能量主要和材料本身的物理性質(zhì)有關(guān)。由此，我們可以通過光致熒光譜來探測材料內(nèi)部性質(zhì)。

在本實驗中，我們主要的實驗手段為光致熒光譜，采用激光作為其激§2.1半導體的輻射復合過程

半導體輻射復合發(fā)光光譜，既光熒光光譜。這種情況下的光發(fā)射有三個互相聯(lián)系而又區(qū)別的過程，首先是光吸收和因光激發(fā)而產(chǎn)生電子-空穴對等非平衡載流子，其次是非平衡載流子的擴散及電子-空穴對的輻射復合，第三是輻射復合的發(fā)光光子在樣品體內(nèi)的傳播和從樣品中出射出來。半導體的輻射復合過程主要有帶間復合—導帶-價帶復合、自由激子復合、本征帶-淺雜質(zhì)復合、施主-受主對復合（D-A對復合）、束縛激子復合、通過深能級的復合、俄歇復合。帶間復合和自由激子復合稱為本征復合。

§2.1半導體的輻射復合過程半導體輻射復合發(fā)光光譜，既光熒1、自由載流子復合—導帶-價

帶復合對于具有直接帶隙的半導體，它的導帶極小值和價帶極大值均位于布里淵區(qū)的中心k=(0,0,0)處，因此這兩個狀態(tài)具有相同的動量，當電子從導帶直接躍遷到價帶時，滿足動量守恒，輻射復合產(chǎn)生的光子能量為hv≥Eg(Eg為禁帶寬度)，其發(fā)光的光譜分布為：L(hv)=B(hv-Eg)1/2(B為比例因子)Eg=hc/λ=1.24/λEg=1.424+1.247x1、自由載流子復合—導帶-價

帶復合對于具有直接帶隙半導體材料測試技術(shù)ppt課件對于間接帶隙半導體，導帶極小值與價帶極大值不在布里淵區(qū)的同一點，既這兩個狀態(tài)的k值不同，因而它們的動量也不同。電子要在這兩個不同k值的能態(tài)實現(xiàn)躍遷，必須要有第三者——聲子參與，才能滿足動量守恒的要求。當假設只有一個能量為Ep的聲子參加間接躍遷過程時，輻射復合產(chǎn)生的光子能量為hv≥Eg-Ep,其發(fā)光的光譜分布為：L(hv)=B’(hv-Eg+Ep)2

(B’為比例因子)對于間接帶隙半導體，導帶極小值與價帶極大值不在布里淵區(qū)的同一半導體材料測試技術(shù)ppt課件2、自由激子復合所謂的激子就是電子和空穴因庫侖相互作用結(jié)合在一起電中性的“準粒子”，既束縛在一起的電子-空穴對。激子又有自由激子和束縛激子之分，自由激子是區(qū)別與束縛激子而言的。自由激子可以在晶體中作為一個整體而運動，但不傳輸電荷。在某種意義上，激子也可以視為一個類氫原子，它的能態(tài)可以用導帶底下的能量來表示。

2、自由激子復合所謂的激子就是電子和空穴因庫侖相互作用結(jié)合在半導體材料測試技術(shù)ppt課件對于具有直接帶隙的半導體，在簡單的輻射躍遷的情況下，自由激子復合時滿足動量守恒，這時發(fā)射的光子能量為：hv=EG-EX式中Ex為自由激子的電離能，Ex1是激子基態(tài)的電離能，n為激發(fā)態(tài)的量子數(shù)。由此可見，自由激子復合的光譜為起始于hv=Eg-Ex1的一系列的譜線(如圖2.2)。對于具有直接帶隙的半導體，在簡單的輻射躍遷的情況下，自由激子3、本征帶-淺雜質(zhì)復合這是指導帶電子經(jīng)過淺施主與價帶空穴的復合，或者是價帶空穴經(jīng)過淺受主與導帶電子的復合(如圖2.3)。半導體中淺雜質(zhì)的行為，通常用類氫模型來近似處理。這時對于直接帶隙的材料，導帶-淺受主復合的發(fā)光的光譜分布為3、本征帶-淺雜質(zhì)復合這是指導帶電子經(jīng)過淺施主與價帶空穴的復半導體材料測試技術(shù)ppt課件4、施主-受主對復合（D-A對復合）

4、施主-受主對復合（D-A對復合）D-A對發(fā)光直接與施主、受主雜質(zhì)有關(guān)，利用D-A對發(fā)光的特點可以定性地鑒定材料的純度。對于同一種受主雜質(zhì)，D-A對發(fā)光和B-A（導帶-受主）復合發(fā)光常是并存的。區(qū)分這兩種發(fā)光的最靈敏的方法，是增大激光發(fā)光強或升高溫度。這時B-A對發(fā)光強度比D-A對發(fā)光峰增加得快。當材料比較鈍時，B-A發(fā)光和D-A對發(fā)光峰能夠清楚分開。材料不很鈍時，D-A對發(fā)光可以淹沒B-A對發(fā)光，使后者僅出現(xiàn)一個“肩”，甚至不出現(xiàn)。另外，一般說來，當激發(fā)光強增加時，D-A對發(fā)光峰移向高能端，材料純度越差，這一移動越顯著。

D-A對發(fā)光直接與施主、受主雜質(zhì)有關(guān)，利用D-A對發(fā)光的特點5、束縛激子復合

晶體中被施主、受主（包括電中性狀態(tài)或電離狀態(tài)）或其它陷阱束縛住的激子稱為束縛激子。當束縛激子復合時，也可以產(chǎn)生發(fā)光。同自由激子相比，束縛激子發(fā)光的特點是，它發(fā)射的光子能量比較低一點，譜線寬度也比自由激子窄得多。另外，束縛激子的發(fā)光強度隨著雜質(zhì)（束縛中心）濃度的提高而增加，光譜分布隨雜質(zhì)態(tài)的變化（例如態(tài)分裂）而變化。束縛激子發(fā)光的這些特點，是由雜質(zhì)對激子的束縛這一本質(zhì)的原因引起的，所以給研究帶來了方便。因此，束縛激子發(fā)光光譜成了研究半導體中雜質(zhì)的有力的工具。5、束縛激子復合晶體中被施主、受主（包括電中性狀態(tài)或電離對于半導體晶體，如果用一種與晶主原子化學價相等的雜質(zhì)原子去替代晶主原子，例如在磷化鎵中用氮原子去代替磷原子，由于氮與磷的電負性有差異，可以在氮原子附近產(chǎn)生一種只在短程內(nèi)發(fā)生作用的引力，從而使它能俘獲某一種載流子而成為帶電中心。這個帶電中心由于庫侖作用又可以去俘獲符號相反的載流子，這樣就形成了束縛態(tài)的激子。鑒于這個俘獲中心是等化學價雜質(zhì)造成的，故稱為等電子陷阱。

對于半導體晶體，如果用一種與晶主原子化學價相等的雜質(zhì)原子去替半導體材料測試技術(shù)ppt課件6、通過深能級的復合這是指通過禁帶中深中心實現(xiàn)的復合。某些雜質(zhì)具有較大的電離能，它們在禁帶中部形成深能級。當電子從這些能級到帶邊之間發(fā)生輻射復合時，其光子能量。半導體中的缺陷也能造成深能級。最常見的如GaAs中的Ga空位-施主絡合物引起hv~1.2eV附近的寬帶發(fā)光。

6、通過深能級的復合這是指通過禁帶中深中心實現(xiàn)的復合。某些雜§2.2光致發(fā)光的實驗裝置

及實驗方法光致發(fā)光的基本原理是,當激發(fā)光源發(fā)出hν>Eg的光照射到被測樣品表面時，由于激發(fā)光在材料中的吸收系數(shù)很大（通常大于104cm-1）,通過本征吸收，在材料表面約1μm以內(nèi)的區(qū)域里激發(fā)產(chǎn)生大量的電子-空穴對，使樣品處于非平衡態(tài)。這些非平衡載流子一邊向體內(nèi)擴散，一邊發(fā)生復合。通過擴散，發(fā)光區(qū)將擴展到深入體內(nèi)約一個少子擴散長度的距離。電子-空穴對通過不同的復合機構(gòu)進行復合，其中的輻射復合就發(fā)出迭加在熱平衡輻射上的光發(fā)射，通常稱熒光。熒光在逸出表面之前會受到樣品本身的自吸收。熒光逸出表面以后，先用干涉儀取得所要研究的光訊號的雙光束干涉圖，然后通過電子計算機進行傅立葉變換，換算成光譜圖。此后經(jīng)探測器接收轉(zhuǎn)變成電訊號并進行放大和記錄，從而得到發(fā)光強度按光子能量分布的曲線，即光致發(fā)光光譜圖?！?.2光致發(fā)光的實驗裝置

及實驗方法光致發(fā)光的基2.1傅里葉變換光譜原理（1）邁克爾遜干涉儀M1:固定反射鏡M2:運動反射鏡S:光源2.1傅里葉變換光譜原理（1）邁克爾遜干涉儀M1傅里葉變換光譜儀中的重要部件是邁克爾遜干涉儀，邁克爾遜干涉儀是由固定反射鏡M1和可動反射鏡M2以及分光板bS（beam-splitter,半透明，半反射鏡）所組成。從光源S發(fā)出的光，經(jīng)分光板后分成兩束（反射光束和透射光束），分別經(jīng)固定鏡和可動鏡反射后又返回到分光板，每一束光又被分光板分成兩束。這樣，其中兩束返回到光源，而另外兩束則到達探測器。到達探測器上的光強度為入射光強度的一半：1/2I0,可以被測量出來。傅里葉變換光譜儀中的重要部件是邁克爾遜干涉儀，邁克爾遜干涉儀探測器上所接受的光的強度有兩部分組成：直線部分和交變部分。但是人們感興趣的是交變部分，稱這部分干涉函數(shù)：

探測器上所接受的光的強度有兩部分組成：直線部分和交變部分。但半導體材料測試技術(shù)ppt課件2.2PL9000型傅里葉變換

光譜儀的配置

2.2PL9000型傅里葉變換

光譜儀的配置(1)光源我們所涉及的光源有：He-Ne激光器(Ioutput~50mW)，Ar+激光器(Ioutput~50mW)。He-Ne激光器的波長632.8nm，Ar+激光器常用波長為514.5nm和488.0nm。(2)變溫系統(tǒng)由于溫度調(diào)制對半導體發(fā)光有相當大的影響，因此，在我們的裝置中有一個變溫系統(tǒng)。變溫系統(tǒng)采用美國APD公司CSA-202型氦氣閉循環(huán)制冷系統(tǒng)，溫度可以在10∽300K范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。(3)探測和記錄系統(tǒng)我們實驗中采用探測器是液氮冷卻的Ge探測器，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)就是傅立葉紅外光譜儀。(1)光源2.3傅里葉紅外光譜儀的主要優(yōu)點

（1）多通道優(yōu)勢

傅里葉光譜儀雖然只有一個探測器，但是不同光譜源的調(diào)制頻率不同，它們被同時接收時相當于多通道測量，多通道測量的方式使得測量的每個譜元的時間和測量整個光譜的時間是一樣長的。從而可以很好地提高信噪比。（2）高通量優(yōu)點

在傅里葉變換光譜儀中是沒有狹縫的限制的，從而同樣的分辨條件下，通過它的光通量要比常規(guī)的光譜儀大得多。3）高精確度優(yōu)點當傅里葉變換光譜儀是由邁克爾遜干涉儀構(gòu)成時，兩個光束來源于同一初始光束，只要能精確地測出兩個光束之間的光程差Δ，經(jīng)過傅里葉變換，在光譜圖中就能得到精確的波數(shù)值。傅里葉光譜儀中，光程差Δ是由穩(wěn)頻的He-Ne激光束通過激光比長儀方式測量的，精確度很高。（4）工作波段寬：從可見光到亞毫米。

2.3傅里葉紅外光譜儀的主要優(yōu)點（1）多通道優(yōu)勢傅里§2.3光熒光分析法在半導體檢測

中的應用

1.組分測定Eg=a+bx+cx22.雜質(zhì)識別3.Si中淺雜質(zhì)的濃度測定4.輻射效率的比較5.GaAs材料補償度的測定6.均勻性的研究7.位錯等缺陷的研究

§2.3光熒光分析法在半導體檢測

中的應用1§2.4光致發(fā)光的實驗結(jié)果

圖3.2InGaAs/GaAs/AlGaAs的光熒光譜§2.4光致發(fā)光的實驗結(jié)果

圖3.3InGaAs/GaAs有源材料的光熒光譜圖

a.變溫（10K-90K）曲線b.變激發(fā)強度（10mW-50mW）曲線

圖3.3InGaAs/GaAs有源材料的光第三章霍耳效應測量系統(tǒng)

Hall5500霍耳效應是半導體中載流子在電場和磁場的作用下所產(chǎn)生的效應，研究霍耳效應對發(fā)展半導體理論有著重要的實際意義。利用霍耳效應來測量霍耳系數(shù)是研究半導體性質(zhì)的重要實驗方法，它在半導體測試技術(shù)中占有重要地位。用它來研究半導體材料導電過程或輸運現(xiàn)象，可提供材料的導電類型、載流子濃度、雜質(zhì)電離能（包括淺、深能級雜質(zhì)）遷移率及雜質(zhì)補償度等信息。第三章霍耳效應測量系統(tǒng)

Hall5500第一節(jié)測量原理

一、霍爾效應的原理

第一節(jié)測量原理

一、霍爾效應二、霍爾系數(shù)的測量二、霍爾系數(shù)的測量半導體材料測試技術(shù)ppt課件半導體材料測試技術(shù)ppt課件半導體材料測試技術(shù)ppt課件三、樣品電阻率和霍爾遷移率的測量

三、樣品電阻率和霍爾遷移率的測量四、范德堡（VandePaow）方法測量1958年范德堡提出一種接觸點位于晶體邊緣的電阻率和霍爾系數(shù)的測量方法。此法要求樣品厚度均勻成片狀、無孤立孔洞，并且接觸點位于樣品的邊緣，觸點越小越好。目前砷化鎵半導體材料和硅外延襯底材料的測試多用此法。范德堡法的基本原理如下：

四、范德堡（VandePaow）方法測量1958年范德堡半導體材料測試技術(shù)ppt課件半導體材料測試技術(shù)ppt課件半導體材料測試技術(shù)ppt課件第二節(jié)霍爾效應實驗裝置和測試方法

一、

樣品制備測量霍爾系數(shù)是為了鑒定一塊晶體或一組片子的電學性質(zhì)，取樣部位合理與否直接影響到鑒定的準確性。1．晶體完整性2．樣品的形狀

第二節(jié)霍爾效應實驗裝置和測試方法

半導體材料測試技術(shù)ppt課件半導體材料測試技術(shù)ppt課件3．電接觸制備工藝

對于片狀樣品，應盡量使觸點尺寸小些。如有可能，拔觸點定在棱邊。觸點的最大尺寸不大于0.01Lp。

制備歐姆接觸的方法是：用腐蝕液（H2SO4:H2O2:H2O=3:1:1）腐蝕砷化鎵，腐蝕時間不應該超過10秒。然后用銦焊，在氫氣氛中于400±10oC下燒結(jié)4分鐘，以形成良好的歐姆接觸。對二維電子氣樣品，要在氫氣氛中大于400oC下燒結(jié)，時間大于4分鐘。

3．電接觸制備工藝對于片狀樣品，應盡量使觸點尺寸小些。如有二、測量方法—在霍爾電勢測量中

有關(guān)幾個副效應的消除

又由于探針AB不能真正位于統(tǒng)一等位面上，所以即使在沒有加磁場B時，在AB之間也有一個電勢差VIr,VIr=Ir,其正、負符號和電流I方向有關(guān)，與磁場無關(guān)。

二、測量方法—在霍爾電勢測量中

有關(guān)幾個副效應的消除(1）厄廷豪森效應—VE

（2）能斯特效應--VN

(3)里紀-勒杜克效應—VRL

半導體材料測試技術(shù)ppt課件三、測量過程

四、數(shù)據(jù)計算

五、影響測量的幾個因素在測量霍爾電勢和電阻率中，由于如下原因，可能會得到某些虛假的結(jié)果。1.為了滿足歐姆定律，要求在V/cm的弱場下進行測量，否則電場會引起注入，導致遷移率的改變，對高電阻率及高壽命材料的影響尤為嚴重。2.在光照下產(chǎn)生的光電導和光生伏特效應，也會干擾電阻率和霍爾系數(shù)的測量，尤其對于光敏材料或本征材料影響更大，所以全部測試工作必須在暗室中進行。

三、測量過程

四、數(shù)據(jù)計算五、影響測量的幾個因素3．在室溫附近測量時，由于電阻率是溫度的靈敏函數(shù)，要求測量在恒溫環(huán)境或小電流的條件下進行。4．霍爾效應是一體效應，但對于高阻材料，仍需注意降低表面漏電，而且不同的表面處理，也會影響電阻率與霍爾系數(shù)的測量值，尤其對于薄層材料影響更為嚴重。5．測量高阻樣品時，要注意測量電路及樣品的屏蔽，并要求電路各部分的絕緣程度比待測樣品的電阻要大得多。6．注意待測樣品及磁場的均勻性。在Ⅲ-Ⅴ族化合物中，樣品的不均勻性引起的反常遷移率需認真加以分析。7.對于矩形樣品或橋式樣品，要求霍爾電極距樣品端面的距離要大于三分之一的樣品長度，否則容易引起短路效應。樣品的長、寬比值也不宜太小，否則導致VH訊號太小，不易測準。此外，還要求測量點應盡可能作的小些。接觸電阻太大會產(chǎn)生虛假的結(jié)果。

3．在室溫附近測量時，由于電阻率是溫度的靈敏函數(shù)，要求測量在第四章電化學C-V分布測試技術(shù)采用電化學C-V的方法測試半導體厚外延層材料電學參數(shù)，在一個不變的反偏電壓作用下，一邊剝蝕掉與電解液剛接觸過的、已測的半導體薄層，一邊接著測下一薄層的微分電容，腐蝕測試連續(xù)進行，獲得半導體摻雜輪廓的信息，縱向分布的可側(cè)深度不受肖特基勢壘擊穿電壓的限制，適合測試多層結(jié)構(gòu)的半導體材料。

第四章電化學C-V分布測試技術(shù)采用電化學C-V的方法測第一節(jié)基本原理

C-V法是利用PN結(jié)或肖特基勢壘在反向偏壓時的電容特性，可以獲得材料中雜質(zhì)濃度及其分布的信息。這類測量統(tǒng)稱為C-V測量技術(shù)。這種測量可以提供材料截面均勻性及縱向雜質(zhì)濃度分布的信息，因此它比通常采用的四探針法具有更大的優(yōu)點。C-V法既可測量通行低阻襯底上外延材料的分布，也可測量高阻襯底及異型層的外延材料的分布。

第一節(jié)基本原理C-V法是利用PN結(jié)或肖特基勢壘在反向偏一、pn結(jié)一、pn結(jié)二、肖特基勢壘二、肖特基勢壘肖特基勢壘是一個簡單的金屬-半導體結(jié)(圖10.16)。當金屬與半導體接觸時，盡管兩種材料的功函數(shù)不同，但達到平衡時，兩種材料的費米能級要達到同一個水平，因此在交界處也會建立起一個靜電場。因為半導體中的載流子濃度比金屬小幾個量級，所以勢壘的形成，是從半導體與金屬的接觸界面開始，向半導體體內(nèi)擴展一個明顯的距離。一個理想的肖特基勢壘是由勢壘高度VB及空間電荷區(qū)的等效電容所表征的。假如忽略半導體的界面態(tài)及鏡像力的降低效應（實際上界面態(tài)正是肖特基勢壘與pn結(jié)的主要區(qū)別，它往往大量存在于金-半接觸處），則有

肖特基勢壘是一個簡單的金屬-半導體結(jié)(圖10.16)。當金屬三、結(jié)電容我們以N型材料為例，考慮單邊突變結(jié)（p+n結(jié)），即一邊的摻雜濃度比另一邊大幾個數(shù)量級的情況。當在勢壘或結(jié)區(qū)上加反向偏壓時，則產(chǎn)生一個空間電荷區(qū)或耗盡區(qū)，區(qū)內(nèi)空間電荷取決于離化施主濃度ND：

三、結(jié)電容第二節(jié)電化學C-V分布法及應用

一、電化學腐蝕及C-V測試原理電化學C-V分布法是近年來發(fā)展起來的一種連續(xù)測量濃度分布的方法，它是采用控制電解液進行陽極氧化來達到連續(xù)測量的目的。這種方法尤其適用于測量Ⅲ-Ⅴ族半導體化合物、固溶體等多層結(jié)構(gòu)的分布。

第二節(jié)電化學C-V分布法及應用一、電化學腐蝕及C-V測電化學C-V測試技術(shù)包括半導體的電化學腐蝕及C-V測試兩部分。半導體電化學腐蝕是半導體材料在電解質(zhì)水溶液中所受到的腐蝕。根據(jù)陽極氧化及電解的原理，將半導體芯片置于電解液中，外加直流電壓，電極電位低的是陽極（即半導體芯片），電極電位高的是陰極（即電解質(zhì)水溶液），陽極逐漸被氧化腐蝕溶解。采用電化學腐蝕可以精確控制腐蝕深度，使腐蝕測試連續(xù)進行。

電化學C-V測試技術(shù)包括半導體的電化學腐蝕及C-V測試兩部C-V測試是利用反向偏壓時肖特基勢壘的電容特性，來獲得肖特基勢壘的半導體邊的雜質(zhì)濃度及其分布。電解液--半導體形成的肖特基勢壘與金屬--半導體肖特基勢壘其導電性能及在半導體界面層形成的接觸勢壘是一樣的。（樣品在反向偏壓下，半導體-電解液界面形成了僅由電離施主組成的空間電荷耗盡層，隨著反向偏壓的加大，耗盡層邊界往薄膜內(nèi)層擴展。）于是，利用反偏肖特基勢壘的電容特性，在pn結(jié)上加一個固定的直流偏壓，交流訊號電壓dU疊加在直流偏壓之上，這個微小的電壓變化量dU引起空間電荷dQ的變化，其勢壘電容C=dQ/dU,所以又叫微分電容。于是對于單突變結(jié)，耗盡層寬度表達式為C-V測試是利用反向偏壓時肖特基勢壘的電容特性，來獲得肖特基半導體材料測試技術(shù)ppt課件另外，當有電流通過電解液與半導體接觸面時，半導體將被電解。根據(jù)法拉第電解定律，由電流強度I的時間積分可以得到腐蝕深度：Wr=M/ZFDA∫0TIdt(4)式中，M為半導體的分子量；D為密度；F為法拉第常數(shù)；Z為溶解一個分子所轉(zhuǎn)移的載流子電荷數(shù)，對GaAs而言，Z=6。這時測得深度x=ε0εrA/CD+M/ZFDA∫0TIdt處的載流子濃度。用恒電位電路提供樣品電極的恒定電位。用能量大于半導體禁帶寬度的光子照射樣品表面，將產(chǎn)生光生電子空穴對。對于n型GaAs所產(chǎn)生的空穴（p）參與下列反應：

另外，當有電流通過電解液與半導體接觸面時，半導體將被電解。根生成的Ga2O3和As2O3溶解于電解液中，使GaAs材料不斷被腐蝕，由于n型材料在暗場下空穴很少，所以陽極溶解光照是必須的。將光照時的電解腐蝕并測量電流，與在暗場下測量勢壘電容交替進行，可測的任意深度的載流子濃度，即載流子濃度的縱向分布。生成的Ga2O3和As2O3溶解于電解液中，使GaAs材料不二、基本結(jié)構(gòu)

電化學池

二、基本結(jié)構(gòu)

電化三、定標及技術(shù)性能

1.定標由于載流子濃度n之間跨度較大，所以縱軸以logn標度。橫軸以μm標度。2.技術(shù)性能測量載流子濃度范圍：1013cm-3-1020cm-1測量深度：0.05μm-50μm深度分辨率：2nm波長范圍：500nm-2000nm三、定標及技術(shù)性能1.定標四、外延片電化學測試

針對某種待測半導體材料選擇合適的電解液。這種電解液要滿足下面兩個條件：（1）對所要測量的半導體材料有電解腐蝕作用；（2）電解液與該半導體形成肖特基結(jié)。外延片采用本實驗室MBE生長的激光器結(jié)構(gòu)材料。在樣品插入電化學池前，先用丙酮液清洗已經(jīng)切好的大約8mm×10mm外延片，用去離子水沖洗電解池并小心干燥，以確保電解池電解液濃度。

四、外延片電化學測試針對某種待測半導體材料選擇合適的電解液五、測試結(jié)果分析電化學C-V測試的關(guān)鍵是找到一種合適的電解液，以獲得優(yōu)化測試參數(shù)，特別是測量電壓和電解電流的選取。才有可能得到準確、可靠的測試結(jié)果。測試條件（經(jīng)常需要調(diào)整的參數(shù)主要是電解電流和測量電壓）必須相應及時地進行調(diào)整，以保證數(shù)據(jù)的準確性。在實驗中，有3個參量可以作為測試條件是否合適、所測數(shù)據(jù)是否準確的判據(jù)。1．平帶電位值（F.B.P）;

2．耗散因子（D）;

3．測量電流值（Im）

五、測試結(jié)果分析電化學C-V測試的關(guān)鍵是找到一種合適的電解測試結(jié)果

測試結(jié)果第五章掃描電子顯微鏡的原理

及其應用

光學顯微鏡以可見光為介質(zhì)，電子顯微鏡以電子束為介質(zhì)，由于可見光的波長較長（4000-7000?），按照分辨率不能超過波長1/2的原理推算，光學顯微鏡的分辨本領不能超過2000?，放大倍率最高只有約1600倍。根據(jù)deBroglie波動理論，電子的波長僅與加速電壓有關(guān)：λe＝h/mv，在10KV的加速電壓之下，電子的波長僅為0.12?，在50KV的加速電壓之下，電子的波長僅為0.02?-0.04?，由于電子束波長遠較可見光小，所以電子顯微鏡分辨率自然比光學顯微鏡優(yōu)越許多?？梢岳眠@種儀器來研究物質(zhì)的表面形貌、缺陷結(jié)構(gòu)、晶體完整性等性質(zhì)。掃描電子顯微鏡的突出優(yōu)點是景深非常大，放大倍數(shù)范圍很寬（40—500000倍），它能將樣品表面起伏的立體形貌精確的復制出來。

第五章掃描電子顯微鏡的原理

及其應用光學顯第一節(jié)掃描電子顯微鏡結(jié)構(gòu)和

工作原理

一、掃描電子顯微鏡的工作原理

掃描電子顯微鏡的電子—光學系統(tǒng)，能產(chǎn)生一束很細的電子，并在樣品表面連續(xù)進行掃描。這一束電子稱為初生電子，當它轟擊到樣品表面上時有一部分被吸收，其余的被反射，并且還能從樣品中釋放出次生電子。次生電子和反射電子被一個“電子收集器”所捕獲，然后將這電子電流放大并用來調(diào)制顯像管顯示屏的亮度。這樣，屏上各點的亮度便代表被電子束照射的物體上的各點所發(fā)射的電子數(shù)。因為這一亮度主要取決于初生電子束的入射角以及物面與電子收集器之間的相互位置，所以物體表面上的起伏貌相（就像用側(cè)照明所獲得的那樣）就在顯像管屏幕上顯示出來。

第一節(jié)掃描電子顯微鏡結(jié)構(gòu)和

工作原理一、二、掃描電子顯微鏡的構(gòu)造

掃描電子顯微鏡由電子光學系統(tǒng)（鏡筒）、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、信號探測放大系統(tǒng)、圖像顯示和記錄系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和真空系統(tǒng)等部分組成，各部分的主要作用簡介如下。1．電子光學系統(tǒng)電子光學系統(tǒng)由電子槍、電磁聚光鏡、物鏡光闌、樣品室等部件組成。它的作用是用來獲得掃描電子束，作為使樣品產(chǎn)生各種物理信號的激發(fā)源。場發(fā)射電子槍是高分辨率掃描電子顯微鏡較理想的電子源。

二、掃描電子顯微鏡的構(gòu)造掃描電子顯微鏡由電子光學系半導體材料測試技術(shù)ppt課件2．偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)

3．信號檢測放大系統(tǒng)

4．圖象顯示和記錄系統(tǒng)

5．電源系統(tǒng)6．真空系統(tǒng)

2．偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)三、掃描電子顯微鏡的主要性能

1．放大倍數(shù)

日本日立公司的S-4200型場發(fā)射掃描電子顯微鏡的放大倍數(shù)可以由40倍到500000倍連續(xù)調(diào)節(jié)。在使用加速電壓15kV時，分辨率可達到1.6nm，加速電壓5