半导体材料第六章(新)

扩展电阻测量

用于测量侧向电阻率变化 测量范围宽(1012–1021 cm−3),分辨率高(30nm以内 )

测量过程标准化:样品制备，探针准备，测量过程，数据收集，校准。
原理

探针的直径通常为0.5mm左右，针尖的曲率半径r0为20um。 探针间距20-100um，步距数百Å。
扩展电阻，金属探针与均匀半导体形成压力接触且半 导体的线度相对于探针和半导体的接触半径而言可视为穷 大，若有电流从探针流入半导体，则电流在接触点集中， 而在半导体中沿方向呈辐射状。此时探针止半导体底端的 电阻可由微分电阻累加而得。
电子能谱分析仪示意图（多功能）
激发源 试样装置 电子能量分析器 检测器 计算机
XPS 简介

X射线光电子能谱是瑞典 Uppsala大学K.Siegbahn及其同事经过 近20年的潜心研究而建立的一种分析方法。他们发现了内层电 子结合能的位移现象，解决了电子能量分析等技术问题，测定 了元素周期表中各元素轨道结合能，并成功地应用于许多实际 的化学体系。
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（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
RS =
2 r 0
整个电阻主要集中在探针接触点附近，因而这个电 阻又叫集中电阻或扩展电阻。
0.5mm
探针形状及尺寸
辐射状电流示意图
R R
s
Rb0 S0

K 4
R KR
s
S0
非接触法

常用于在线测量电阻 线圈磁场感应使导体中产生涡旋电流。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。
第六章 半导体材料的测试分析
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）
识别、密度、分布；络合物的特征，
组分分析：材料的化学成分及配比，掺杂原子性质、
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、迁移率、
扩散长度、表面复合速度等
光学性能：薄膜材料的折射率，吸收系数，光电导

涡旋电流正比电导率和厚度，反比方块电阻。
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。
2、导电类型
冷热探针法 三探针法 单探针点接触整流法

检流计左偏为N型，右偏为P型
XRD、XPS、SEM等现代测试技术简介
电子和物质的相互作用
晶面间距(d)公式：

立方晶系：
1 d hkl
2
h2 k 2 l 2 a2

四方晶系：
1 d hkl
2
h2 k 2 l 2 2 a2 c

正交晶系： 1 h2 k 2 l 2 2 2 2 2 a b c d hkl
X射线衍射仪测试原理示意图
XRD技术的应用
粉末x射线衍射
XRD测试结果实例1
1200 1000 900
Intensity/(a.u)
800 700 600 500
3C-SiC(311)
35.65
1100
3C-SiC(111)
自碳饱和硅熔体中生长β-SiC晶体
300 200 100 0 25
30
34.1
35
40
41.5
45
50
55
o
60
60
6H-SiC(101)
X射线衍射技术
XRD （X-ray Diffraction）
Bragg定律 2dhklsin =n

d
是入射X射线的波长，
是晶面族的面间距，
是布喇格衍射角， 表示衍射级数的整数

n
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。

由于电子束的穿透力较弱，难以穿过0.1 μm以上的切 片，所以TEM对样品的厚度有极高的要求。因此，制 样技术是TEM应用中非常重要的一个环节。 透射电镜样品非常薄，约为100nm，必须用铜网支撑 着。常用的铜网直径为3mm左右，孔径约有数十μm。

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。



供给电子光学系统使电子束偏向的扫描线圈的电源也是供给阴 极射线显像管的扫描线圈的电源，此电源发出的锯齿波信号同 时控制两束电子束作同步扫描。
样品上电子束的位置与显像管荧光屏上电子束的位置是一一对 应。这样，在荧光屏上就可显示样品表面起伏的二维图像。

扫描电镜系统组成
(1) 电子光wenku.baidu.com系统（镜筒） (2)
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 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
透射电子显微术



分辨率：0.2nm； 放大倍数：150万倍。 应用：缺陷（位错、层错、晶格点阵无序）

透射电镜：是以波长极短的电子束作为照明源，利用 透射电子通过磁透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领、 高放大倍数的电子光学仪器。 四部分：电子光学系统、电源系统、真空系统、操作 控制系统

制样技术
6H-SiC(110)
3C-SiC(220)
65
70
71.75
400
75
80
2 /
看出在2θ扫描范围内, 出现了分 别与6H-SiC(101)、β-SiC(111)、 6H-SiC(110)、β-SiC (220)和βSiC(311) 五个最强的衍射晶面 对应的衍射峰，表明所制备的βSiC样品中含有6H-SiC的成分
X射线光电子谱(XPS) X-ray Photoelectron Spectroscopy 俄歇能谱仪（AES）
Auger photoelectron spectroscopy
X射线光电子能谱仪（XPS）/ 俄歇能谱仪（AES）
仪器型号：AXIS ULTRA
生产厂家：英国KRATOS ANALYTICAL Ltd.
扫描电子显微术

放大倍数：10——50万倍； 分辨率：3nm—10nm； 应用：表面形貌，材料断口，腐蚀坑的形状；工艺缺陷；生 长条纹；复合中心。配置各种附件，做表面成份分析。
SEM的成像原理

扫描电镜的成像原理，象闭路电视系统那样，用电子束在样品 表面逐点逐行扫描成像。 由三极电子枪发射出来的电子束，在加速电压作用下，经过23个电子透镜聚焦后，在样品表面按顺序逐行进行扫描，激发 样品产生各种物理信号，如二次电子、背散射电子、吸收电子、 X射线、俄歇电子等。 这些物理信号的强度随样品表面特征而变。它们分别被相应的 收集器接受，经放大器按顺序、成比例地放大后，送到显像管。
高能电子入射 俄歇能谱法AES X光能谱法XES 阴极荧光光谱法 分析技术 扫描电子显微镜SEM 透射电子显微镜TEM 光子或X射线 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
X射线在晶体中的衍射
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。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 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。

4、导电性能
1）电阻率


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=Aρ n。若测出肖特基 结的击穿电压则可求出材料的电阻率。

X 射线光电子谱是重要的表面分析技术之一。它不仅能探测表 面的化学组成，而且可以确定各元素的化学状态，因此，在化 学、材料科学及表面科学中得以广泛地应用。
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 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

背散射电子：被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子； 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；入射束的电子透过样品而得到的电子。它仅仅取决于样
品微区的成分、厚度、晶体结构及位向等。样品质量厚度越大，则透 射系数越小，而吸收系数越大；样品背散射系数和二次电子发射系数 的和也越大。
基本原理
X射线光电子能谱 Auger电子能谱
h
e
单色X射线光子的能量在1000～1500ev之间，不仅可使分子的价电子电离而且也
可以把内层电子激发出来， 同一原子的内层电子结合能在不同分子中相差很小，
不同能级上的电子结合能不同，故它是特征的。光子入射到固体表面激发出光电 子，产生由一系列峰组成的电子能谱图，每个峰对应于一个原子能级（s、p、d、 f）；利用能量分析器对光电子进行分析的实验技术称为光电子能谱。

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。

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。
XRD测试结果实例2
6000
35.75
3C-SiC(111)
5000
Intensity/(a.u)
4000
3000
2000
3C-SiC(220)
60.05
1000
3C-SiC(311)
71.8
0 25 30 35 40 45 50 55
0
60
65
70
75
80
2/
仅出现β-SiC的三个衍射峰，进一步的分析表明对应于β-SiC(111)、 βSiC (220)和β-SiC(311) 衍射晶面，表明样品为β-SiC多晶体
(3) 信号收集系统
(4) 图像显示和记录系统
(5)
(6) 电源系统
SEM样品制备
SEM 固体材料样品制备方便，只要样品尺寸适 合，就可以直接放到仪器中去观察。样品直径和厚度 一般从几毫米至几厘米，视样品的性质和电镜的样品 室空间而定。 对于绝缘体或导电性差的材料来说，则需要预先在 分析表面上蒸镀一层厚度约10～20 nm的导电层。否 则，在电子束照射到该样品上时，会形成电子堆积， 阻挡入射电子束进入和样品内电子射出样品表面。导 电层一般是二次电子发射系数比较高的金、银、碳和 铝等真空蒸镀层。
X射线衍射仪基本构成
常用的高分辨率X射线双晶衍射设备，其主要组成部分包括： X光机，提供稳定的X光源； 测角仪，衍射仪的核心，起支撑作用，并使试样与探测器相关 地转动，支持狭缝系统，限制X射线光路；
探测器，检测X射线的部件，主要有盖格计数管，正比计数管， 闪烁探测器和Si（Li）探测器等；
记录器，放大探测器输出的电脉冲信号并传送给后继的分析系 统； 电脑控制系统和数据处理系统，对整个测量过程进行机械化的 精确控制，并对测试得到的数据进行记录、输出和模拟分析