1、半導體材料電學參數(shù)測量（elec trie parame ter measuremen t for semiconduc tor material）電學參數(shù)是半導體材料鋇0量的重要內容。它主要包括導電類型、電阻率、壽命和遷 移率測量。導電類型測量半導體的導電過程存在電子和空穴兩種載流子。多數(shù)載流子是電子的稱n型半導體；多數(shù)載流子是空穴的稱p型半導體。測量導電類型就是確定半導體材料中 多數(shù)載流子的類別。常用的方法有冷熱探針法、整流法等。冷熱探針法是利用溫差電效應的 原理，將兩根溫度不同的探針與半導體材料表面接觸，兩探針間外接檢流計（或數(shù)字電壓表） 形成一閉合回路，根據兩個接觸點處存在溫差所引起的

2、溫差電流（或溫差電壓）的方向可以確 定導電類型。整流法是利用金屬探針與半導體材料表面容易構成整流接觸的特點，可根據檢 流計的偏轉方向或示波器的波形測定導電類型。常用三探針或四探針實現(xiàn)整流接觸。霍耳效 應亦可測定半導體材料的導電類型。電阻率測量電阻率是長lcm,截面積lcm2材料的電阻，它反映了半導體材料導電能力 的大小。測量電半阻率的方法較多，最基本的有兩探針法、直線四探針法、擴展電阻法和專 門用于薄片狀半導體材料的范德堡法等。兩探針法是在一電阻率均勻的規(guī)則樣品上通過恒定 的直流電流，兩根沿電流方向排列的探針與樣品壓觸，測量兩根探針間的電位差（圖1）。電阻率可用下式計算；嘰A式中Vt為探針間的

3、電位差，mV； I為通過樣品的直流電流，mA； A為樣品截面積，cm2； L為探針間距，cm。直線四探針法是用一直線排列的四根探針與一相對于探針間距是半無窮 大的樣品表面壓觸，外面探針通過恒定直流電流，測定中間兩根探針的電位差（圖2）。圖2四探針法測量半導體電阻率示意圖樣品的電阻率可用下式計算：J樣品的電阻率可用下式計算：J式中S為探針系數(shù)，cm； V23為中間兩根探針電位差的測量值，mV； I。為通過樣品的電流，mA；對于直線排列的四探針,14探針系數(shù)S為:探針系數(shù)S為:十十士一嵌點廣1式中S1、S2和S3分別為相應的探針間的距離，cm。應用直線四探針法測量時，還必須考慮樣品的邊界影響和由探

4、 針游移引起的誤差。擴展電阻法是利用單根探針與半導體材料接觸時，電流展開效應引起的 擴展電阻，在接觸狀態(tài)不變時僅與半導體材料電阻率有關的原理：皿一a 式中RS為擴展電阻，Q；P為樣品電阻率，Qcm；a為有效電接觸半徑, cm。擴展電阻法對測量半導體材料微區(qū)電阻率尤為重要，它可以確定體積為lO-iocm。區(qū)域 的電阻率，分辨率可達lum。因此適用于拋光片、單層或多層結構外延層電阻率的測量， 還可依此確定外延層（或擴散層）的厚度和過渡區(qū)的寬度。范德堡法適用于薄片狀樣品的電阻 率測試，它要求樣品的厚度和電阻率均勻，且無空洞?？稍跇悠返倪吘壣现苽銩、B、C、D 四個觸點，并盡量注意AC亠BD。任意相鄰

5、的兩點，如ab間通電流I，測量另一對觸AB點VDC，有R1=VDc/】AB ；在BC問通電流Sc，測量AD間的電位差Vad，有R2=Vad/Ibc?？傻玫奖∑瑺顦悠返碾娮杪?XfCRjR片狀樣品的電阻率:XfCRjR式中d為樣品厚度，cm；f（R/R2）為修正系數(shù)，稱為范德堡函數(shù)，可從計算或查表得到。壽命測量非平衡少數(shù)載流子從注入到因復合而消失，所經歷的時間的統(tǒng)計平均值稱為非平衡少數(shù)載流子壽命，簡稱壽命。壽命值與半導體材料中的重金屬雜質（如銅、金、 鎳等）含量、晶體結構的完整性及材料電阻率有密切的關系，因此壽命值也是表征半導體材 料電學性能的主要參數(shù)之一。少子壽命的直觀定義是：如果穩(wěn)定地向半導

6、體中注入非平衡少 數(shù)載流子，從停止注入起，少子濃度因復合而減少到起始值的1/e所需的時間。測量少子 壽命的方法較多，應用最廣泛的是光電導衰退法，又可按信號的獲取方法不同而分為直流光 電導法和高頻光電導法。光電導衰退法是利用一定波長的脈沖光在半導體材料內激發(fā)出非平 衡少數(shù)載流子，引起樣品的電導率改變，即通過樣品的電流或樣品上的壓降發(fā)生變化。根據 電流或電壓信號的衰退規(guī)律測量非平衡少數(shù)載流子的壽命。直流光電導法其樣品外加電壓是 直流電壓。高頻光電導法其樣品外加電壓是高頻電壓。直流光電導法需要制備良好的電極接 觸，而高頻光電導法則不需要，使用更方便，因而使用更加廣泛。遷移率測量 半導體中存在外加電場

7、時，載流子在電場中作漂移運動。低電場下， 載流子的漂移速度與電場強度成正比，單位電場作用下，載流子獲得的漂移速度稱載流子的 漂移遷移率卩（又稱電導遷移率）。遷移率與半導體材料中的雜質濃度、缺陷密度及溫度有關。 漂移遷移率的測量需在樣品上制備兩個有一定間距的整流接觸，并使其分別處于正向和反向 偏置狀態(tài)。正向偏置結外加一正向脈沖電壓，即有少數(shù)載流子注入，反向偏置結收集少數(shù)載 流子。可根據示波器觀察少子收集的波形，并計算出少子的漂移遷移率。亦可以從霍耳系數(shù) 計算出霍耳遷移率卩來，它與漂移遷移率（或電導遷移率）之間有如下關系：壓。H式中卩和卩分別是漂移遷移率和霍耳遷移率，cm2 / （vs）； r稱為

8、霍耳因子，主要與散射 CH機構、樣品溫度、能帶結構及磁場強度等有關，它是按近于1的比例系數(shù)。因此常用霍耳遷 移率代替漂移遷移率（見半導體材料霍耳系數(shù)測量）。半導體材料測量（measurement for semiconductor material）用物理和化學分析法檢測半導體材料的性能和評價其質量的方法。它對探索新材料、新器件和改進 工藝控制質量起重要作用。在半導體半barl材料制備過程中，不僅需要測量半導體單晶中含有的微量雜質 和缺陷以及表征其物理性能的特征參數(shù)，而且由于制備半導體薄層和多層結構的外延材料，使測量的內容 和方法擴大到薄膜、表面和界面分析。半導體材料檢測技術的進展大大促進了半

9、導體科學技術的發(fā)展。半 導體材料測量包括雜質檢測、晶體缺陷觀測、電學參數(shù)測試以及光學測試等方法。雜質檢測半導體晶體中含有的有害雜質，不僅使晶體的完整性受到破壞，而且也會嚴重影響半導體晶體的電學和光學性質。另一方面，有意摻入的某種雜質將會改變并改善半導體材料的性能，以滿足器件制造的需要。因此檢測半導體晶體中含有的微量雜質十分重要。一般采用發(fā)射光譜和質譜法，但對于 薄層和多層結構的外延材料，必須采用適合于薄層微區(qū)分析的特殊方法進行檢測，這些方法有電子探針、 離子探針和俄歇電子能譜。半導體晶體中雜質控制情況見表 1。表 1 半導體晶體中雜質檢測法分析方法對象特點靈敏度發(fā)射光譜 質譜離子探針 俄歇電子

10、能譜 電子探針 盧瑟福散射 活化分析 全反射X光熒 光晶體晶體薄膜表面薄膜表面薄膜表面可同時分析幾十種兀素對全部元素靈敏度幾乎相同適合于表面和界面的薄層微區(qū)分析，可達1個原子 層量級對輕元素最靈敏微米級微區(qū)分析，對重元素最靈敏可測質量大于基體的單層雜質可隨薄膜剝離面分析是測表面雜質最靈敏的方法（0. 01100）X10-6（110）X10-9一般元素1 X 10-6輕元素,1 X 10-91X10-6（10100）X10-610X10-9過渡金屬109 / cm2,輕元素1012/ cm2晶體缺陷 觀測半導體的晶體結構往往具有各向異性的物理化學性質，因此，必須根據器件制造 的要求，生長具有一定

11、晶向的單晶體，而且要經過切片、研磨、拋光等加工工藝獲得規(guī)定晶向的平整而潔 凈的拋光片作為外延材料或離子注入的襯底材料。另一方面，晶體生長或晶片加工中也會產生缺陷或損傷 層，它會延伸到外延層中直接影響器件的性能，為此必須對晶體的結構及其完整性作出正確的評價。半導 體晶體結構和缺陷的主要測量方法見表 2。表2 半導體晶體結構和缺陷的主要測量方法測試項目測量方法對象和特點準確性晶向光圖定向可測晶向及其偏離角，設備簡單精度可達30(2)X射線照相法適用于晶向完全不知的定向，精度 較高，但操作復雜，用于研究(3)X射線衍射儀適用于晶向大致已知的定向和定向 切割，精度高、操作簡便精度可達1(1)化學腐蝕和

12、金相觀察設備簡單、效率高，用于常規(guī)測試位錯(2)X射線形貌 相穿透深度約50卩m，可測量晶體中位 錯、層錯、應力和雜質團微缺陷化學腐蝕和金相觀察觀測無位錯硅單晶中的點缺陷和雜 質形成的微缺陷團外延層厚度(1)解理染色法載流子濃度和厚度不受限制(2)紅外干涉法不適用于高阻層，非破壞性，同質外延1102m；異質外延0. 3103m分辨率0.5Um(3)X射線干涉法厚度測量可達0.1Um誤差10%損傷層X光雙晶衍射法可觀測晶片經化學機械拋光后的表面缺陷和應力劃痕等電學參數(shù)測試 半導體材料的電學參數(shù)與半導體器件的關系最密切，因此測量與半導體導電性有 關的特征參數(shù)成為半導體測量技術中最基本的內容。電學參

13、數(shù)測量包括導電類型、電阻率、載流子濃度、 遷移率、補償度、少子壽命及其均勻性的測量等。測量導電類型目前常用的是基于溫差電動勢的冷熱探筆 法和基于整流效應的點接觸整流法。電阻率測量通常采用四探針法、兩探針法、三探針法和擴展電阻法， 一般適用于鍺、硅等元素半導體材料。霍爾測量是半導體材料中廣泛應用的一種多功能測量法，經一次測 量可獲得導電類型、電阻率、載流子濃度和遷移率等電學參數(shù)，并由霍爾效應的溫度關系，可以進一步獲 得材料的禁帶寬度、雜質的電離能以及補償度?；魻枩y量已成為砷化鎵等化合物半導體材料電學性能的常 規(guī)測試法。后來又發(fā)展了可以測量均勻的、任意形狀樣品的范德堡法，簡化了樣品制備和測試工藝，

14、得到 了普遍的應用。另一類深能級雜質，其能級處于靠近禁帶中心的位置，在半導體材料中起缺陷、復合中心 或補償?shù)淖饔茫乙部膳c原生空位形成絡合物，它對半導體材料的電學性質產生重大影響。對這種深能 級雜質的檢測比較困難，目前用結電容技術進行測量取得了較大進展，所用方法有熱激電容法、光電容法 和電容瞬態(tài)法，后又發(fā)展了深能級瞬態(tài)能譜法，可以快速地測量在較寬能量范圍內的多個能級及其濃度。 外延材料中載流子濃度的剖面分布采用電容一電壓法，可測深度受結或勢壘雪崩擊穿的限制，隨濃度的增 加而減小。在此基礎上建立的電化學電容一電壓法，它是利用電解液陽極氧化來實現(xiàn)載流子濃度剖面分布 的連續(xù)測量，特別適用于III-

15、V族化合物半導體材料和固溶體等多層結構的外延材料。測量半導體材料中少 數(shù)載流子壽命的方法有多種，廣泛應用的是交流光電導衰退法，簡便迅速，測量范圍為10103US。，適 合于鍺、硅材料。半導體材料電學參數(shù)測量方法列于表3 中。表3 半導體材料電學參數(shù)測量方法測試項目測量方法對象和特點導電(1)冷熱探筆法適用于電阻率不太咼的材料，硅100 cm；鍺20 cm不適于低阻材料，硅，l100Qcm；鍺，不適用。類型(2)點接觸整流法電阻率(1)四探針法單晶、異型層或低阻襯底上高阻層外延材料、擴散層，電阻率范圍10-310-4 cm，訊速非破壞性(2)兩探針法適用于硅錠(3 )三探針法相同導電類型或低阻襯

16、底的外延材料(4)擴展電阻法硅單晶微區(qū)均勻性、外延層、多層結構、擴散層，空間分辨 翠20nm，電阻率范圍10 -3102Qcm載流子濃度(2 )范德堡法均勻的、任意形狀的樣品，其他同上(3)電容一電壓法低阻襯底外延層中載流子濃度的剖面分布，由于結或勢壘雪 崩擊穿的影響，可測深度受限制，濃度范圍10145Xl017/cm3(4)電化學電容一電壓法多層結構外延材料，濃度和深度不受限制補償度(1)晶棒重熔法適用于以磷、硼為主雜質且均勻分布的硅單晶(2)低溫霍爾測量適用于硅、鍺、化合物半導體材料載流子濃度(1)熱激電流可測距帶邊o. 2eV，時間常數(shù)10戀的缺陷能級(2 )熱激電容同上，都用于pn結缺

17、陷能級位置濃度的測定(3)光電容靈敏度高，可測Aeo. 3eV，時間常數(shù)102S的缺陷能級(4)深能級的瞬態(tài)譜靈敏度高(10-4)，分辨率高(0.03eV)，時間常數(shù)10s，能 級范圍寬，n-GaAs可測0.1eV的能級，p-GaAs和Si可測0.2eV的能級光學測試法 光學檢測技術對半導體材料中的雜質和缺陷具有很高的靈敏度，可以檢測非電活性 雜質以及雜質與結構缺陷形成的絡合物，而且在量子能量和樣品空間大小的探測上具有很高的分辨率，特 別適合于微區(qū)薄層和表面分析。除了用于鍺、硅晶體中超微量雜質的分析外，由于III-V族化合物半導體材 料中存在部分離子鍵成分，光與晶體中電子的耦合比較強，使光學效應大大增強。這些材料又廣泛用于光 電器件，光譜范圍處于可見光和近紅外區(qū)域，測試儀器不太復雜，探測器的靈敏度高，因此特別適合于III-V 族一類的化合物半導體材料。光學測試主要用于雜質的識別和超微量分析，而且利用發(fā)光光譜可以研究與 雜質、缺陷、位錯、應力、補償率等的對應關系，作出晶體均勻性和完整性的判據，因此光學分析得到了 廣泛的應用。半導體材料光學測量法列于表4中。表 4 半導體材料光學測量法測試方法測