1、1會計學半導體物理實驗半導體物理實驗天河二號天河二號iphone5半導體激光器半導體激光器微波器件微波器件微處理器芯片微處理器芯片單晶硅單晶硅砷化鎵砷化鎵實驗實驗1 X射線衍射分析晶體結構射線衍射分析晶體結構 半導體材料的制備和晶格結構分析半導體材料的制備和晶格結構分析在整個半導體產業中具有重要的地位。在整個半導體產業中具有重要的地位。X射線衍射方法由于儀器操作方便、無射線衍射方法由于儀器操作方便、無損、快速等優點，成為分析半導體晶格損、快速等優點，成為分析半導體晶格結構最主要的手段。結構最主要的手段。 1.1 實驗目的實驗目的 通過使用通過使用X射線衍射儀對給定半導體材料進射線衍射儀對給定半

2、導體材料進 行檢測和分析行檢測和分析 ，掌握物相分析的基本方法。，掌握物相分析的基本方法。實驗實驗1 X射線衍射分析晶體結構射線衍射分析晶體結構 了解半導體材料晶格結構的基本知識以及了解半導體材料晶格結構的基本知識以及X 射線衍射儀的基本工作原理。射線衍射儀的基本工作原理。 1895年德國物理學家年德國物理學家倫琴倫琴研究陰極研究陰極射線管時，發現一種有穿透力的肉射線管時，發現一種有穿透力的肉眼看不見的射線，稱之為眼看不見的射線，稱之為X射線（射線（也稱倫琴射線）也稱倫琴射線） 。 倫琴獲倫琴獲1901年諾貝爾物理學獎。年諾貝爾物理學獎。W. C. Rontgen 1912年德國物理學家勞厄發

3、現年德國物理學家勞厄發現X射射線通過晶體時產生衍射現象，證明線通過晶體時產生衍射現象，證明了了X射線的波動性射線的波動性和晶體內部周期和晶體內部周期性的原子點陣結構。性的原子點陣結構。 他的發現揭開了原子理論的一個新他的發現揭開了原子理論的一個新紀元。紀元。M. V. Laue 1912年英國物理學家年英國物理學家布拉格父子布拉格父子利用利用X射線衍射測定了射線衍射測定了NaCl的晶體結構，并的晶體結構，并提出著名的提出著名的布拉格公式布拉格公式。 開創了利用開創了利用X射線分析晶體結構的嶄新射線分析晶體結構的嶄新時代。時代。W. H. BraggW. L. BraggW. H. BraggW

4、. L. Bragg年 份學 科得獎者內 容1901物理倫琴Wilhelm Conral RontgenX射線的發現1914物理勞埃Max von Laue晶體的X射線衍射亨利.布拉格Henry Bragg勞倫斯.布拉格Lawrence Bragg.1917物理巴克拉Charles Glover Barkla元素的特征X射線1924物理卡爾.西格班Karl Manne Georg SiegbahnX射線光譜學戴維森Clinton Joseph Davisson湯姆孫George Paget Thomson1954化學鮑林Linus Carl Panling化學鍵的本質肯德魯John Charl

5、es Kendrew帕魯茲Max Ferdinand Perutz1962生理醫學Francis H.C.Crick、JAMES d.Watson、Maurice h.f.Wilkins脫氧核糖核酸DNA測定1964化學Dorothy Crowfoot Hodgkin青霉素、B12生物晶體測定霍普特曼Herbert Hauptman卡爾Jerome Karle魯斯卡E.Ruska電子顯微鏡賓尼希G.Binnig掃描隧道顯微鏡羅雷爾H.Rohrer布羅克豪斯 B.N.Brockhouse中子譜學沙爾 C.G.Shull中子衍射直接法解析結構1915物理晶體結構的X射線分析1937物理電子衍射19

6、86物理1994物理1962化學蛋白質的結構測定1985化學X射線的產生和性質射線的產生和性質 10-2 1 102 104 106 108 1010 1012 （） 106 104 102 1 10-2 10-4 10-6 10-8 （eV）線硬X射線軟射線遠紫外紫外可見近紅外遠紅外微波超短波短波長波 X射線同射線同射線、紫外線、可見光、紅外線以及射線、紫外線、可見光、紅外線以及微波一樣，都是一種電磁波。微波一樣，都是一種電磁波。 可見光：可見光： 39007700 X射線的產生：射線的產生：凡是高速運動的電子流或其它高能帶電基本粒子凡是高速運動的電子流或其它高能帶電基本粒子射流（如射線）被

7、突然減速時均能產生射流（如射線）被突然減速時均能產生X射線。電射線。電子流產生的子流產生的X射線譜分為兩種，一種是射線譜分為兩種，一種是連續連續X射線射線譜譜，一種是，一種是特征特征譜譜（原子內層電子躍遷）。（原子內層電子躍遷）。 X射線的產生和性質射線的產生和性質1.2 實驗原理實驗原理實驗實驗1 X射線衍射分析晶體結構射線衍射分析晶體結構2dsin =n 布拉格公式布拉格公式AB實驗實驗1 X射線衍射分析晶體結構射線衍射分析晶體結構 衍射方向衍射方向取決于晶體的對稱類型和晶胞參數等取決于晶體的對稱類型和晶胞參數等。 衍射強度衍射強度取決于晶胞中原子種類、數量及具體排列取決于晶胞中原子種類、

8、數量及具體排列。 石英晶體石英晶體X射線衍射譜射線衍射譜1020304050607002003004005001002強度強度1.3 實驗儀器實驗儀器實驗實驗1 X射線衍射分析晶體結構射線衍射分析晶體結構循環冷循環冷卻系統卻系統計算機控制計算機控制處理系統處理系統X射線衍射射線衍射儀主機儀主機計算機控制計算機控制處理系統處理系統X射線衍射射線衍射儀主機儀主機X-ray射線管射線管樣品臺樣品臺測角儀測角儀X射線探測器射線探測器X射線衍射儀主機由X射線管，測角儀、樣品臺以及X射線探測器組成。X射線管：銅靶，射線管：銅靶，K線，線，=1.54測角儀：測角儀： X射線衍射儀的核心組成部分射線衍射儀的核

9、心組成部分 樣品平面與樣品樣品平面與樣品臺轉軸重合，樣品臺臺轉軸重合，樣品臺與探測器的支臂共軸與探測器的支臂共軸轉動。轉動。 為提高入射X射線的光束質量和角度探測精度，在測角儀中設置索拉光闌、發散狹縫、接收狹縫、防散射狹縫等組成。X X射線探測器：摻鈦射線探測器：摻鈦NaINaI晶體晶體 X射線光子射線光子熒光光子（熒光光子（420nm） 光電子（光陰極）光電子（光陰極） 電脈沖（多級倍增）電脈沖（多級倍增）光電倍增管光電倍增管倍增倍增極極1.4 實驗內容和要求實驗內容和要求在探測器與入射在探測器與入射X射線方向夾角射線方向夾角 為為 范圍內，測量半導體粉末樣品的范圍內，測量半導體粉末樣品的X

10、射線衍射射線衍射譜。譜。從標準樣品數據庫中查找與測量得到的從標準樣品數據庫中查找與測量得到的X射射線衍射譜匹配的卡片，分析被測樣品的物相線衍射譜匹配的卡片，分析被測樣品的物相。計算最強衍射峰對應的晶面間距計算最強衍射峰對應的晶面間距d。實驗實驗1 X射線衍射分析晶體結構射線衍射分析晶體結構220 80oo1.5 實驗步驟實驗步驟詳見詳見“操作說明操作說明”。1.6 注意事項注意事項實驗前須預先開啟除濕機工作半小時。實驗前須預先開啟除濕機工作半小時。實驗中必須首先開啟冷卻水。實驗中必須首先開啟冷卻水。實驗實驗1 X射線衍射分析晶體結構射線衍射分析晶體結構1.7 思考與討論思考與討論（1）X射線在

11、晶體中產生衍射的必要條件？射線在晶體中產生衍射的必要條件？（2）X射線衍射能否分析非晶材料的物相？射線衍射能否分析非晶材料的物相？（3）如何測量半導體單晶晶片的）如何測量半導體單晶晶片的X射線衍射射線衍射譜？譜？ 實驗實驗1 X射線衍射分析晶體結構射線衍射分析晶體結構 半導體材料的電學性能包括電阻率、導電半導體材料的電學性能包括電阻率、導電類型、載流子濃度、遷移率和少子壽命等，與類型、載流子濃度、遷移率和少子壽命等，與晶體結構、雜質濃度、溫度等因素密切相關，晶體結構、雜質濃度、溫度等因素密切相關，對器件性能有決定性的影響。其中電阻率是最對器件性能有決定性的影響。其中電阻率是最直接、最重要的參數

12、。直接、最重要的參數。實驗實驗2 四探針法測量半導體電阻率四探針法測量半導體電阻率2.1 實驗目的實驗目的 掌握四探針法測量半導體電阻率、薄層掌握四探針法測量半導體電阻率、薄層（方塊）電阻的原理和測試方法。（方塊）電阻的原理和測試方法。 了解影響半導體電阻率測量的各種因素及了解影響半導體電阻率測量的各種因素及不同幾何尺寸樣品的修正方法。不同幾何尺寸樣品的修正方法。相鄰原子之間共用電相鄰原子之間共用電子對形成共價鍵子對形成共價鍵ECEVEAECEVED1/nq 電阻率電阻率的大小決定于半導體載流子濃度的大小決定于半導體載流子濃度n和和載流子遷移率載流子遷移率300K溫度下溫度下 實驗實驗2 四探

13、針法測量半導體電阻率四探針法測量半導體電阻率伏安法（歐姆定律）測量電阻率伏安法（歐姆定律）測量電阻率URIISlVlS 金屬探針與半導體材料之間形成肖特基接觸，金屬探針與半導體材料之間形成肖特基接觸，從而在界面產生很大的接觸電阻，給測量帶來極大從而在界面產生很大的接觸電阻，給測量帶來極大的誤差。的誤差。實驗實驗2 四探針法測量半導體電阻率四探針法測量半導體電阻率四探針法四探針法原理：原理：利用點電流源向樣利用點電流源向樣品中注入小電流形成等電品中注入小電流形成等電位面，通過檢測樣品不同位面，通過檢測樣品不同部位的電位差，并根據理部位的電位差，并根據理論公式精確計算出任意形論公式精確計算出任意形

14、狀半導體材料的電阻率。狀半導體材料的電阻率。優點：優點：避免對接觸電阻進行處理。避免對接觸電阻進行處理。2.2 實驗原理實驗原理實驗實驗2 四探針法測量半導體電阻率四探針法測量半導體電阻率點電流源等電位面點電流源等電位面22Ijr2( )( )2IdV rE rjrdr 1( )( )2rIV rE r drrIrP2.2 實驗原理實驗原理實驗實驗2 四探針法測量半導體電阻率四探針法測量半導體電阻率S1S2S3I IV1234四探針法示意圖四探針法示意圖212322 ()IIVSSS31232 ()2IIVSSS2.2 實驗原理實驗原理實驗實驗2 四探針法測量半導體電阻率四探針法測量半導體電阻

15、率2312231211112IVVVSSSSSS若四探針在同一平面的同一直線上，且若四探針在同一平面的同一直線上，且 時，時，由上式可得由上式可得 123SSSS = 2VSI這就是直流等間距四探針法測這就是直流等間距四探針法測體電阻率體電阻率的理想公式。的理想公式。(1.1) 探針探針2和探針和探針3之間的電位差之間的電位差2.2 實驗原理實驗原理 如果樣品不是半無限導體，則由探針流入導體的電流會被邊如果樣品不是半無限導體，則由探針流入導體的電流會被邊界表面反射或吸收，結果分別使電壓探針處的電位升高或降低。界表面反射或吸收，結果分別使電壓探針處的電位升高或降低。 因此，在這種情況下電阻率的測

16、量值高于或低于材料的真實因此，在這種情況下電阻率的測量值高于或低于材料的真實值，稱為表觀電阻率值，稱為表觀電阻率 。它與材料真實電阻率。它與材料真實電阻率 的關系為的關系為實驗實驗2 四探針法測量半導體電阻率四探針法測量半導體電阻率式中式中 稱為稱為修正因子修正因子或修正除數。或修正除數。00 =. .C D. .C D(1.2) 2.2 實驗原理實驗原理實驗實驗2 四探針法測量半導體電阻率四探針法測量半導體電阻率2S. .2ln2SC DW對于厚度對于厚度W 的半導體晶片（橫向尺寸遠大于探針間距）的半導體晶片（橫向尺寸遠大于探針間距）這就是常用的半導體晶片材料這就是常用的半導體晶片材料電阻率

17、電阻率的測量公式。的測量公式。 = 4.532ln2VVWWII代入式代入式(1.2)得得(1.3) 實驗實驗2 四探針法測量半導體電阻率四探針法測量半導體電阻率SlRSW特性：特性：只與電阻率和薄膜厚度有關，與薄膜的尺只與電阻率和薄膜厚度有關，與薄膜的尺寸大小無關。寸大小無關。lWlI 實際工作中需要測量擴散層的實際工作中需要測量擴散層的薄層電阻薄層電阻，又，又稱稱方塊電阻方塊電阻，其定義就是表面為正方形的半導體薄，其定義就是表面為正方形的半導體薄層，在電流方向所呈現的電阻。層，在電流方向所呈現的電阻。2.2 實驗原理實驗原理實驗實驗2 四探針法測量半導體電阻率四探針法測量半導體電阻率四探針

18、法測量半導體材料薄層電阻四探針法測量半導體材料薄層電阻4.532ln2SVVRWII這就是常用的這就是常用的薄層（方塊）電阻薄層（方塊）電阻公式，單位為歐姆，通常公式，單位為歐姆，通常用符號用符號/表示。表示。(1.4) 2.3 實驗儀器實驗儀器探針測試臺探針測試臺四探針軟件測試系統四探針軟件測試系統主機主機通訊接口通訊接口控制面板控制面板2.4 實驗內容和要求實驗內容和要求分別測量給定單晶硅片樣品的電阻率和薄層分別測量給定單晶硅片樣品的電阻率和薄層（方塊）電阻。（方塊）電阻。根據硅電阻率與雜質濃度的關系曲線估算所根據硅電阻率與雜質濃度的關系曲線估算所測硅片的摻雜濃度。測硅片的摻雜濃度。 實驗

19、實驗2 四探針法測量半導體電阻率四探針法測量半導體電阻率2.5 實驗步驟實驗步驟詳見詳見“用戶手冊用戶手冊”及操作說明。及操作說明。2.6 注意事項注意事項硅片易碎，請勿彎折，輕拿輕放。硅片易碎，請勿彎折，輕拿輕放。電流選擇適當，電流選擇適當， 太小影響電壓檢測精度，太太小影響電壓檢測精度，太大引起發熱或非平衡載流子注入。大引起發熱或非平衡載流子注入。實驗實驗2 四探針法測量半導體電阻率四探針法測量半導體電阻率2.7 思考與討論思考與討論（1）分析測量電阻率誤差的來源。）分析測量電阻率誤差的來源。（2）對于尺寸較小的樣品，考慮邊緣效應對電）對于尺寸較小的樣品，考慮邊緣效應對電阻率測量的影響，如

20、何進行修正？阻率測量的影響，如何進行修正？（3）溫度、光照等外界條件對電阻率測量的影）溫度、光照等外界條件對電阻率測量的影響。響。實驗實驗2 四探針法測量半導體電阻率四探針法測量半導體電阻率實驗實驗3 載流子壽命測量實驗載流子壽命測量實驗 載流子壽命是表征半導體材料的基載流子壽命是表征半導體材料的基本參數，它直接影響到器件的某些性能本參數，它直接影響到器件的某些性能。準確測量載流子壽命，對于半導體器。準確測量載流子壽命，對于半導體器件制造具有重要意義。件制造具有重要意義。 3.1 實驗目的實驗目的 了解半導體材料中少數載流子的產生了解半導體材料中少數載流子的產生-復合復合 機理及其對材料特性的

21、影響。機理及其對材料特性的影響。 通過利用通過利用光電導衰退法光電導衰退法測量硅單晶材料的測量硅單晶材料的 少數載流子壽命，加深對少子壽命及其它少數載流子壽命，加深對少子壽命及其它 物理參數關系的理解。物理參數關系的理解。實驗實驗3 載流子壽命測量實驗載流子壽命測量實驗ECEV產生復合ECEV 非平衡載流子：非平衡載流子：受外界因素受外界因素(光照、電注入等光照、電注入等)影響，產生電子影響，產生電子-空穴對，比平衡狀態下多出空穴對，比平衡狀態下多出來的載流子。來的載流子。h非平衡載流子的平均生存時間稱為非平衡載流子的平均生存時間稱為載流子壽命載流子壽命。 從理論上可以證明非平衡載流子壽命越高

22、，從理論上可以證明非平衡載流子壽命越高，太陽電池的短路電流越大、開路電壓越高。太陽電池的短路電流越大、開路電壓越高。ECEVEFpnpnpn結光伏效應示意圖結光伏效應示意圖3.2 實驗原理實驗原理實驗實驗3 載流子壽命測量實驗載流子壽命測量實驗 處于熱平衡狀態的半導體，在一定溫度下，處于熱平衡狀態的半導體，在一定溫度下，載流子濃度是一定的。用光照使半導體內部產載流子濃度是一定的。用光照使半導體內部產生非平衡載流子的方法稱為生非平衡載流子的方法稱為非平衡載流子的光非平衡載流子的光注入注入。 實驗發現，當一束實驗發現，當一束波長較短的光波長較短的光照射到半照射到半導體材料表面時，半導體材料的電導率

23、會發生導體材料表面時，半導體材料的電導率會發生變化，這種現象稱為變化，這種現象稱為半導體的光電導現象半導體的光電導現象，光，光照前后的電導率之差稱為照前后的電導率之差稱為光電導光電導。 3.2 實驗原理實驗原理實驗實驗3 載流子壽命測量實驗載流子壽命測量實驗 光注入時，半導體電導率的變化：光注入時，半導體電導率的變化：pnqpqn q為電子電荷，為電子電荷，p和和n分別為空穴和電子的遷移率。分別為空穴和電子的遷移率。 平衡狀態下半導體的電導率為平衡狀態下半導體的電導率為000pnqpqnq為電子電荷，為電子電荷，p和和n分別為空穴和電子的遷移率。分別為空穴和電子的遷移率。 3.2 實驗原理實驗

24、原理實驗實驗3 載流子壽命測量實驗載流子壽命測量實驗 如果在樣品上所加的電場很小，以至少數如果在樣品上所加的電場很小，以至少數載流子的漂移導電電流可以忽略，而且樣品是載流子的漂移導電電流可以忽略，而且樣品是均勻的，那么非平衡電子均勻的，那么非平衡電子(n)和空穴和空穴(p)的濃度的濃度相等，于是電導率的變化公式可以簡化為相等，于是電導率的變化公式可以簡化為 ()pnqp3.2 實驗原理實驗原理實驗實驗3 載流子壽命測量實驗載流子壽命測量實驗 在滿足小注入條件，表面復合可以忽略不計的情在滿足小注入條件，表面復合可以忽略不計的情況下，當去掉光照后，少子密度將按指數規律衰減，況下，當去掉光照后，少子

25、密度將按指數規律衰減，對于對于n型半導體材料型半導體材料0( )tp tpe 式中式中 為少子壽命為少子壽命。因此導致電導率的變化。因此導致電導率的變化0()tpnqpe3.3 實驗儀器實驗儀器示波器示波器光源開關光源開關樣品臺樣品臺檢波電壓檢波電壓信號輸出信號輸出光源電壓光源電壓單晶少子壽命測試儀單晶少子壽命測試儀實驗實驗3 載流子壽命測量實驗載流子壽命測量實驗脈 沖 光 源Si單晶高 頻 源取 樣 器檢波器寬頻放大脈沖示波器 h光電導衰退法測量裝置示意圖光電導衰退法測量裝置示意圖實驗實驗3 載流子壽命測量實驗載流子壽命測量實驗 當紅外光源的脈沖光照射樣品時，產生的非平衡當紅外光源的脈沖光照

26、射樣品時，產生的非平衡光生載流子使樣品產生附加光電導，從而導致電阻減光生載流子使樣品產生附加光電導，從而導致電阻減小。由于高頻源為恒壓輸出，因此流經樣品的高頻電小。由于高頻源為恒壓輸出，因此流經樣品的高頻電流幅值增加流幅值增加 I，光照消失后，光照消失后， I逐漸衰減，其衰減速逐漸衰減，其衰減速度取決于光生載流子的壽命。度取決于光生載流子的壽命。 在小注入條件下，當光照區復合為主要因素時，在小注入條件下，當光照區復合為主要因素時， I將按指數規律衰減，此時取樣器上產生的電壓變化將按指數規律衰減，此時取樣器上產生的電壓變化 V也按同樣的規律變化，即也按同樣的規律變化，即 0tVV e 實驗實驗3

27、 載流子壽命測量實驗載流子壽命測量實驗tVV0V0/e0圖2-2 指數衰減曲線 調幅高頻信號調幅高頻信號經檢波器解調和高經檢波器解調和高頻濾波，再經寬頻頻濾波，再經寬頻放大器放大后輸入放大器放大后輸入到脈沖示波器，在到脈沖示波器，在示波器上可顯示如示波器上可顯示如圖所示的指數衰減圖所示的指數衰減曲線，衰減的時間曲線，衰減的時間常數就是欲測的壽常數就是欲測的壽命值。命值。3.4 實驗內容和要求實驗內容和要求在小注入光強下，進行多次重復測量，計算在小注入光強下，進行多次重復測量，計算出給定樣品的少數載流子壽命。出給定樣品的少數載流子壽命。觀察并記錄在不同的光注入條件下，給定樣觀察并記錄在不同的光注入條件下，給定樣品的電導率指數衰減曲線，給出定性描述。品的電導率指數衰減曲線，給出定性描述。實驗實驗3 載流子壽命測量實驗載流子壽命測量實驗3.5 實驗步驟實驗步驟詳見詳見“用戶手冊用戶手冊”及操作說明。及操作說明。3.6 注意事項注意事項可在電極上涂少量水改善電極接觸。可在電極上涂少量水改善電極接觸。測量樣品電阻率的下限為測量樣品電阻率的下限為0.3cm。停止使用后，請按起紅外光源開關。停止使用后，請按起紅外光源開關。實驗實驗3 載流子壽命測量實驗載流子壽命測量實驗3.7 思考與討論思考與討論（1）試解釋不同的光注入條件影響給定樣品的）試解釋不同的光注入條件影響給定樣品的