半导体导电类型

式中 VT 为探针间的电位差，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：
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
计算出霍耳迁移率μ H 来，它与漂移迁移率(或电导迁移率)之间有如下关系：
。
式中μ C 和μ 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)。
补偿 度
载流子浓 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 (1)热激电流 (2)热激电容 (3)光电容
(4)深能级的瞬态谱
适用于硅、锗、化合物半导体材料 可测距带边>o．2eV，时间常数>10-4s 的缺陷能级 同上，都用于 pn 结缺陷能级位置浓度的测定
灵敏度高，可测Δ E>o．3eV，时间常数>102s 的缺陷能级
电子探针
对轻元素最灵敏
薄
(10～100)×10-6
卢瑟福散射
微米级微区分析，对重元素最灵敏
膜
10×10-9
活化分析
可测质量大于基体的单层杂质
表
过渡金属 109／cm2，轻元素 1012
全反射 X 光荧
可随薄膜剥离面分析
面
／cm2
光
是测表面杂质最灵敏的方法
薄
膜 表
面
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、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。
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。
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、电学参数测试以及光学测试等方法。
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 10～103μ s。，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 导电
测量方法 (1)冷热探笔法
对象和特点
适用于电阻率不太高的材料，硅<100Ω cm；锗<20Ω cm 不适于低阻材料，硅，l~100Ω cm；锗，不适用。
(1)霍尔测量法
(2)范德堡法
载流子浓 度
(3)电容一电压法
单晶或高阻衬底上低阻外延层，同时获得电阻率、迁移率和导电类型
均匀的、任意形状的样品，其他同上 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 l014～5×l017／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
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
点 VDC，有 R1=VDC／IAB；在 BC 问通电流 IBC，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：
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。
表 2 半导体晶体结构和缺陷的主要测量方法
测试项目 晶向
测量方法 (1)光图定向 (2)X 射线照相法
(3)X 射线衍射仪
对象和特点
可测晶向及其偏离角，设备简单 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 适用于晶向大致已知的定向和定向 切割，精
度高、操作简便
(1)化学腐蚀和金相观察
质形成
的微缺陷团 载流子浓度和厚度不受限制
不适用于高阻层，非破坏性，同质 外延 1～
102μ m；异质外延 0．3～103μ m 厚度测量可达 0.1μ m
可观测晶片经化学机械抛光后的表 面缺陷
和应力划痕等
分辨率±0.5μ m
误差±10％
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，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-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
类型
(2)点接触整流法
(1)四探针法
电阻 率
(2)两探针法 (3)三探针法
(4)扩展电阻法
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 10-3
～1 0-4Ω cm，讯速非破坏性
适用于硅锭
相同导电类型或低阻衬底的外延材料
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 1 0 -3～102Ω cm
表 1 半导体晶体中杂质检测法
分析方法
对 象
特
点
灵敏度
晶
体
晶
体
发射光谱
可同时分析几十种元素
薄
(O．01～100)×10-6
质谱
对全部元素灵敏度几乎相同
膜
(1～10)×10-9
离子探针
适合于表面和界面的薄层微区分析，可达 1 个原子
表
一般元素 1×10-6 轻元素，1×10-9
俄歇电子能谱
层量级
来自百度文库
面
1×10-6
灵敏度高(10-4)，分辨率高(>0.03eV)，时间常数 10μ s，能
级范围宽，n-
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，Ω ；ρ 为样品电阻率，Ω cm；ɑ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 1μ m。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
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μ (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
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(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。
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。
设备简单、效率高，用于常规测试
准确性 精度可达 30’ 精度可达 1’
位错
(2)X 射线形貌 相
微缺陷
化学腐蚀和金相观察
(1)解理染色法
外延层厚 度
(2)红外干涉法
(3)X 射线干涉法
损伤 层
X 光双晶衍射法
穿透深度约 50μ m，可测量晶体中位
错、层
错、应力和杂质团 观测无位错硅单晶中的点缺陷和杂
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)。