半导体材料的测试技术
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❖ （Secondary Ion Mass Spectrometry）
2）氧碳含量
❖ 红外吸收光谱技术
3）重金属等痕量杂质分析
❖ 俄歇电子能谱技术（AES） ❖ X光发射谱（XES） ❖ X光电子发射谱（XPS） ❖ 中子活化分析（NAA） ❖ 质谱分析 ❖ 原子吸收光谱技术
4、导电性能
1）电阻率
X光衍射测量中最主要的参数是衍射峰的角位置和半高宽FWHM (Full width at half maximum)
高分辨率X射线双晶衍射是指测量样品的摇摆曲线（rocking curve）。摇摆 曲线是指衍射强度随X射线入射角（X射线入射线与样品表面的夹角）变化的 曲线。研究材料的结晶完整性、均匀性、层厚、组分、应变、缺陷和界面等 信息时，高分辨率X射线双晶衍射方法具有独特优势 。从样品的X射线摇摆 曲线主要可获知外延层晶格质量、失配度的正负及大小、各层厚度及量子阱 结构材料的周期特性等信息
❖ 给两个间隔几毫米的传感器（铁芯线圈）加上几MHz的高频 电流, 当晶片插入传感器的中间，通过高频电感的耦合，在 晶片内产生涡流。
❖ 线圈产生的磁场就会被导体电涡流产生的磁场部分抵消，使 线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化。这种变化与导体 的几何尺寸、导电率、导磁率有关，也与线圈的几何参量、 电流的频率和线圈到被测导体间的距离有关。如果使上述参 量中的某一个变动,其余皆不变，则可进行多种物理量的非接 触测量。
❖ 光学显微镜的分辨率：
r0 2
❖ 光学显微镜的最大分辨率：0.2μm；人眼的分辨本 领是大约0.2mm；故光学显微镜的放大倍数一般 最高在1000~1500倍。
❖ 欲提高分辨率，只有降低光源的波长。
扫描电子显微术
❖ 放大倍数：20——20万倍； ❖ 分辨率：5nm—10nm；
透射电子显微术
❖ 分辨率：0.2nm； ❖ 放大倍数：150万倍。
电子能谱技术
用能量足够高的高能粒子（光子和电子）入射被分析材料，使之 发射具有特征能量的电子或同时相伴发射具有特征能量的光子，收集 这些发射电子和光子，通过对其特征能量的分析，从而推断被分析材 料的组分的技术，统称为电子能谱术。
高能电子入射 分析技术 光子或X射线
X射线衍射技术 XRD （X-ray Diffraction） Bragg定律 2dhklsin =n 是入射X射线的波长， d 是晶面族的面间距， 是布喇格衍射角， n 表示衍射级数的整数
对某一晶体来说dhkl是确定不变的，当一定时只有特定的值才能满 足以上方程，也就是说只有晶体处于某一方位时才能产生衍射。
半导体材料的测试技术
半导体单晶材料性能的评价
❖ 晶体的结构完整性：晶向，晶格缺陷（位错密度）
❖ 组分分析：材料的化学成分，掺杂原子浓度及其分
布，氧碳含量，重金属杂质等
❖ 导电性能：导电类型，电阻率，少子寿命等
❖ 光学性能：薄膜材料的折射率，吸收系数，光电导
特性，发光特性等 工业生产中，一般检测的参数有：晶向，位错密
晶面间距(d)公式：
❖ 立方晶系：
1 d hk l 2
h2 k 2 a2
l2
❖ 四方晶系：
❖ 四探针法 ❖ 三探针法 ❖ 非接触法 ❖ 扩展电阻法
三探针法（击穿电压法）
❖ 应用：测试n/n+或p/p+外延层电阻率 ❖ 原理：金属-半导体接触具有类似于突变pn
结的特性，pn结雪崩击穿电压与材料电阻率 ρ之间存在经验关系UB=Aρn。若测出肖特基 结的击பைடு நூலகம்电压则可求出材料的电阻率。
非接触法
K Et
s k E
2、导电类型
❖ 冷热探针法 ❖ 三探针法 ❖ 单探针点接触整流法
导电类型的测量
➢ 在太阳电池制造工艺中，通常使用热电动势法 进行导电类型的测量．
冷热探针法测导电型号
1. 热探针和N型半导体接触时，传 导电子将流向温度较低的区域， 使得热探针处电子缺少，因而其 电势相对于同一材料上的室温触 点而言将是正的。
X射线的产生
30kV高压加速的电子与物质碰撞 时产生的射线
X射线在晶体中的衍射
在晶体中原子的间距和x射线波长具有相同的数量 级，在一定方向上构成衍射极大。
XRD技术的应用
粉末x射线衍射
单晶，多晶粉末，或固体片
高分辨率X射线双晶衍射
（DCXRD: Double crystal X-ray diffraction） 主要测量单晶的材料特性
2. 同样道理，P型半导体热探针触 点相对于室温触点而言将是负的。
3. 此电势差可以用简单的微伏表测 量。
4. 热探针的结构可以是将小的热线 圈绕在一个探针的周围，也可以 用小型的点烙铁。
XRD、XPS、SEM等现代测试技术简介
电子和物质的相互作用
❖ 背散射电子：被固体样品中的原子核反弹回来的
俄歇能谱法AES
X光能谱法XES 阴极荧光光谱法 扫描电子显微镜SEM 透射电子显微镜TEM X光光电子能谱法XPS
X射线衍射方法
高能离子入射
二次离子质谱法
XRD （X-ray Diffraction）
X射线本质 电磁波
X射线波长很短（其波长范围为10nm-0.001nm）、能量极高、 具有很强的穿透能力。X射线从发现至今已经有100多年的历 史，现已广泛用于工业生产、医学影像、地质勘探和材料科 学研究中，发挥着巨大的作用
度，氧碳含量，导电类型，电阻率，少子寿命等
1、 定向：
光学定向法； X光定向法
2、缺陷：
❖ 金相观察法（与半导体专业基础实验相同） ❖ 扫描电子显微镜（SEM） ❖ 透射电子显微镜（TEM） ❖ 原子力显微镜（AFM） ❖ X射线形貌技术
3、组分分析
1）掺杂浓度分析
❖ 霍尔测量 ❖ C-V测量 ❖ 二次离子质谱仪
一部分入射电子； ❖ 二次电子：被入射电子轰击出来的核外电子； ❖ 吸收电子：进入样品的入射电子，经多次非弹性
散射，能量损失殆尽，被样品吸收的电子。 ❖ 透射电子； ❖ 特征X射线：原子的内层电子受到激发后，在能
级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的 电磁辐射； ❖ 俄歇电子：原子内层电子跃迁过程中释放的能量， 不以X射线的形式释放，而是使用该能量将核外 另一电子打出成二次电子，该二次电子称为俄歇 电子。
2）氧碳含量
❖ 红外吸收光谱技术
3）重金属等痕量杂质分析
❖ 俄歇电子能谱技术（AES） ❖ X光发射谱（XES） ❖ X光电子发射谱（XPS） ❖ 中子活化分析（NAA） ❖ 质谱分析 ❖ 原子吸收光谱技术
4、导电性能
1）电阻率
X光衍射测量中最主要的参数是衍射峰的角位置和半高宽FWHM (Full width at half maximum)
高分辨率X射线双晶衍射是指测量样品的摇摆曲线（rocking curve）。摇摆 曲线是指衍射强度随X射线入射角（X射线入射线与样品表面的夹角）变化的 曲线。研究材料的结晶完整性、均匀性、层厚、组分、应变、缺陷和界面等 信息时，高分辨率X射线双晶衍射方法具有独特优势 。从样品的X射线摇摆 曲线主要可获知外延层晶格质量、失配度的正负及大小、各层厚度及量子阱 结构材料的周期特性等信息
❖ 给两个间隔几毫米的传感器（铁芯线圈）加上几MHz的高频 电流, 当晶片插入传感器的中间，通过高频电感的耦合，在 晶片内产生涡流。
❖ 线圈产生的磁场就会被导体电涡流产生的磁场部分抵消，使 线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化。这种变化与导体 的几何尺寸、导电率、导磁率有关，也与线圈的几何参量、 电流的频率和线圈到被测导体间的距离有关。如果使上述参 量中的某一个变动,其余皆不变，则可进行多种物理量的非接 触测量。
❖ 光学显微镜的分辨率：
r0 2
❖ 光学显微镜的最大分辨率：0.2μm；人眼的分辨本 领是大约0.2mm；故光学显微镜的放大倍数一般 最高在1000~1500倍。
❖ 欲提高分辨率，只有降低光源的波长。
扫描电子显微术
❖ 放大倍数：20——20万倍； ❖ 分辨率：5nm—10nm；
透射电子显微术
❖ 分辨率：0.2nm； ❖ 放大倍数：150万倍。
电子能谱技术
用能量足够高的高能粒子（光子和电子）入射被分析材料，使之 发射具有特征能量的电子或同时相伴发射具有特征能量的光子，收集 这些发射电子和光子，通过对其特征能量的分析，从而推断被分析材 料的组分的技术，统称为电子能谱术。
高能电子入射 分析技术 光子或X射线
X射线衍射技术 XRD （X-ray Diffraction） Bragg定律 2dhklsin =n 是入射X射线的波长， d 是晶面族的面间距， 是布喇格衍射角， n 表示衍射级数的整数
对某一晶体来说dhkl是确定不变的，当一定时只有特定的值才能满 足以上方程，也就是说只有晶体处于某一方位时才能产生衍射。
半导体材料的测试技术
半导体单晶材料性能的评价
❖ 晶体的结构完整性：晶向，晶格缺陷（位错密度）
❖ 组分分析：材料的化学成分，掺杂原子浓度及其分
布，氧碳含量，重金属杂质等
❖ 导电性能：导电类型，电阻率，少子寿命等
❖ 光学性能：薄膜材料的折射率，吸收系数，光电导
特性，发光特性等 工业生产中，一般检测的参数有：晶向，位错密
晶面间距(d)公式：
❖ 立方晶系：
1 d hk l 2
h2 k 2 a2
l2
❖ 四方晶系：
❖ 四探针法 ❖ 三探针法 ❖ 非接触法 ❖ 扩展电阻法
三探针法（击穿电压法）
❖ 应用：测试n/n+或p/p+外延层电阻率 ❖ 原理：金属-半导体接触具有类似于突变pn
结的特性，pn结雪崩击穿电压与材料电阻率 ρ之间存在经验关系UB=Aρn。若测出肖特基 结的击பைடு நூலகம்电压则可求出材料的电阻率。
非接触法
K Et
s k E
2、导电类型
❖ 冷热探针法 ❖ 三探针法 ❖ 单探针点接触整流法
导电类型的测量
➢ 在太阳电池制造工艺中，通常使用热电动势法 进行导电类型的测量．
冷热探针法测导电型号
1. 热探针和N型半导体接触时，传 导电子将流向温度较低的区域， 使得热探针处电子缺少，因而其 电势相对于同一材料上的室温触 点而言将是正的。
X射线的产生
30kV高压加速的电子与物质碰撞 时产生的射线
X射线在晶体中的衍射
在晶体中原子的间距和x射线波长具有相同的数量 级，在一定方向上构成衍射极大。
XRD技术的应用
粉末x射线衍射
单晶，多晶粉末，或固体片
高分辨率X射线双晶衍射
（DCXRD: Double crystal X-ray diffraction） 主要测量单晶的材料特性
2. 同样道理，P型半导体热探针触 点相对于室温触点而言将是负的。
3. 此电势差可以用简单的微伏表测 量。
4. 热探针的结构可以是将小的热线 圈绕在一个探针的周围，也可以 用小型的点烙铁。
XRD、XPS、SEM等现代测试技术简介
电子和物质的相互作用
❖ 背散射电子：被固体样品中的原子核反弹回来的
俄歇能谱法AES
X光能谱法XES 阴极荧光光谱法 扫描电子显微镜SEM 透射电子显微镜TEM X光光电子能谱法XPS
X射线衍射方法
高能离子入射
二次离子质谱法
XRD （X-ray Diffraction）
X射线本质 电磁波
X射线波长很短（其波长范围为10nm-0.001nm）、能量极高、 具有很强的穿透能力。X射线从发现至今已经有100多年的历 史，现已广泛用于工业生产、医学影像、地质勘探和材料科 学研究中，发挥着巨大的作用
度，氧碳含量，导电类型，电阻率，少子寿命等
1、 定向：
光学定向法； X光定向法
2、缺陷：
❖ 金相观察法（与半导体专业基础实验相同） ❖ 扫描电子显微镜（SEM） ❖ 透射电子显微镜（TEM） ❖ 原子力显微镜（AFM） ❖ X射线形貌技术
3、组分分析
1）掺杂浓度分析
❖ 霍尔测量 ❖ C-V测量 ❖ 二次离子质谱仪
一部分入射电子； ❖ 二次电子：被入射电子轰击出来的核外电子； ❖ 吸收电子：进入样品的入射电子，经多次非弹性
散射，能量损失殆尽，被样品吸收的电子。 ❖ 透射电子； ❖ 特征X射线：原子的内层电子受到激发后，在能
级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的 电磁辐射； ❖ 俄歇电子：原子内层电子跃迁过程中释放的能量， 不以X射线的形式释放，而是使用该能量将核外 另一电子打出成二次电子，该二次电子称为俄歇 电子。