半导体导电类型

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。

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)。

式中V T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R S为扩展电阻，Ω；ρ为样品电阻率，Ωcm；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1μm。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。任意相邻的两点，如AB间通电流I AB，测量另一对触

点V DC，有R1=V DC／I AB；在BC问通电流I BC，测量AD间的电位差V AD，有R2=V AD／I BC。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。

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。

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

计算出霍耳迁移率μH来，它与漂移迁移率(或电导迁移率)之间有如下关系：。式中μC和μH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)。

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