半导体导电类型

1、半导体材料电学参数测量（elec trie parame ter measuremen t for semiconduc tor 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

2、温差电流（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lcm,截面积lcm2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）。电阻率可用下式计算；叽A式中Vt为探针间的

3、电位差，mV； I为通过样品的直流电流，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）。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：J样品的电阻率可用下式计算：J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； I。为通过样品的电流，mA；对于直线排列的四探针,14探针系数S为:探针系数S为:十十士一嵌点广1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

4、 针游移引起的误差。扩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：皿一a 式中RS为扩展电阻，Q；P为样品电阻率，Qcm；a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lO-iocm。区域 的电阻率，分辨率可达lum。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AC亠BD。任意相邻

5、的两点，如ab间通电流I，测量另一对触AB点VDC，有R1=VDc/】AB ；在BC问通电流Sc，测量AD间的电位差Vad，有R2=Vad/Ibc。可得到薄片状样品的电阻率:XfCRjR片状样品的电阻率:XfCRjR式中d为样品厚度，cm；f（R/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

6、体中注入非平衡少 数载流子，从停止注入起，少子浓度因复合而减少到起始值的1/e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

7、时，载流子在电场中作漂移运动。低电场下， 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 漂移迁移率卩（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 计算出霍耳迁移率卩来，它与漂移迁移率（或电导迁移率）之间有如下关系：压。H式中卩和卩分别是漂移迁移率和霍耳迁移率，cm2 / （vs）； r称为

8、霍耳因子，主要与散射 CH机构、样品温度、能带结构及磁场强度等有关，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

9、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

10、能谱 电子探针 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兀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（0. 01100）X10-6（110）X10-9一般元素1 X 10-6轻元素,1 X 10-91X10-6（10100）X10-610X10-9过渡金属109 / cm2,轻元素1012/ cm2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

11、晶向的单晶体，而且要经过切片、研磨、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晶向光图定向可测晶向及其偏离角，设备简单精度可达30(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(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

12、金相观察设备简单、效率高，用于常规测试位错(2)X射线形貌 相穿透深度约50卩m，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 质形成的微缺陷团外延层厚度(1)解理染色法载流子浓度和厚度不受限制(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0. 3103m分辨率0.5Um(3)X射线干涉法厚度测量可达0.1Um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 关的特征参数成为半导体测量技术中最基本的内容。电学参

13、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，简化了样品制备和测试工艺，

14、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，特别适用于III-

15、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10103US。，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导电(1)冷热探笔法适用于电阻率不太咼的材料，硅100 cm；锗20 cm不适于低阻材料，硅，l100Qcm；锗，不适用。类型(2)点接触整流法电阻率(1)四探针法单晶、异型层或低阻衬底上高阻层外延材料、扩散层，电阻率范围10-310-4 cm，讯速非破坏性(2)两探针法适用于硅锭(3 )三探针法相同导电类型或低阻衬

16、底的外延材料(4)扩展电阻法硅单晶微区均匀性、外延层、多层结构、扩散层，空间分辨 翠20nm，电阻率范围10 -3102Qcm载流子浓度(2 )范德堡法均匀的、任意形状的样品，其他同上(3)电容一电压法低阻衬底外延层中载流子浓度的剖面分布，由于结或势垒雪 崩击穿的影响，可测深度受限制，浓度范围10145Xl017/cm3(4)电化学电容一电压法多层结构外延材料，浓度和深度不受限制补偿度(1)晶棒重熔法适用于以磷、硼为主杂质且均匀分布的硅单晶(2)低温霍尔测量适用于硅、锗、化合物半导体材料载流子浓度(1)热激电流可测距带边o. 2eV，时间常数10恋的缺陷能级(2 )热激电容同上，都用于pn结缺

17、陷能级位置浓度的测定(3)光电容灵敏度高，可测Aeo. 3eV，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III-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III-V 族一类的化合物半导体材料。光学测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