半导体材料测量原理与方法

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。

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

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。

表2半导体晶体结构和缺陷的主要测量方法

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10～103μs。，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

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