半导体材料测试技术

二、 X射线的产生

X射线是由高速运动着的带电粒子与
某种物质撞击后突然减速，且与该物质中
的内层电子相互作用而产生的。
X射线产生要有几个基本条件：（1） 产生自由电子；（2）是电子作定向高速 运动；（3）在电子运动的路径上设置使 其突然减速的障碍物。所以X射线发生器 的构造原理如图所示：
1、阴极，阴极系灯丝，阴极的功能是发射电 子。
Si (111) =14.22o
GaN (002) =17.29o
104
103
102
101 12 13 14 15 16 17 18 19
-2 scan (degree)
XRD result of GaN on bulk Si
Intensity (a. u.)
105
Si (111)
=14.22o
L(hv)=B’(hv- Eg + Ep)2
(B’为比例因子)
2、自由激子复合
所谓的激子就是电子和空穴因库仑相互 作用结合在一起电中性的“准粒子”， 既束缚在一起的电子-空穴对。激子又 有自由激子和束缚激子之分，自由激子 是区别与束缚激子而言的。自由激子可 以在晶体中作为一个整体而运动，但不 传输电荷。在某种意义上，激子也可以 视为一个类氢原子，它的能态可以用导 带底下的能量来表示。




（101）、(101)、（101 ）、（011 ）、（101 ）、（01 1）十二个晶面。
泛指晶向，用方括号[uvw]来表示;有对称 关联的等同晶向用<uvw>表示。如<111>?
六方晶系的晶面和晶向指数
五、晶面间距
第三节 X射线双晶衍射基本理论
X射线照射到晶体上产生的衍射花样，除于X 射线有关系外，主要受晶体结构的影响。晶 体结构与衍射花样之间有一定的内在联系， 通过衍射花样的分析，就能测定晶体结构与 研究有关的一系列问题。X射线衍射理论能将 晶体结构与衍射花样有机地联系起来，它包 括衍射线束的方向、强度和形状。衍射线束 的方向由晶胞中的位置和种类决定，而衍射 线束的形状大小与晶体的大小相关。
第二节 晶体几何学基础
一、空间点阵
二、晶系
三、常见的晶体结构
四、晶面与晶向
晶面族，用大括号{hkl}来表示



在立方晶系中{100}晶面族包括：（100）、（010）、（001）、（1 00）、(01 0)、（001 ）


六个晶面，{110}晶面族包括：（110）、（101）、（011）、（1 10）、（11 0）、1（1 0）、
3、本征带-浅杂质复合
这是指导带电子经过浅施主与价带空穴 的复合，或者是价带空穴经过浅受主与 导带电子的复合(如图2.3)。
半导体中浅杂质的行 为，通常用类氢 模型来近似处理。这时对于直接带隙的 材料，导带-浅受主复合的Hale Waihona Puke Baidu光的光谱 分布为
1
L(hv) (hv Eg EA)2[(hv Eg EA) / KT],
对于具有直接带隙的半导体，在简单的 辐射跃迁的情况下，自由激子复合时满 足动量守恒，这时发射的光子能量为： hv=EG-EX 式中Ex为自由激子的电离 能，Ex1是激子基态的电离能，n为激发 态的量子数。由此可见，自由激子复合 的光谱为起始于hv=Eg-Ex1的一系列的谱 线(如图2.2)。
目录
X射线双晶衍射技术 光致发光分析方法 霍尔效应测量原理 电化学C-V分布测量技术 扫描电子显微镜的原理及应用
第一章 X射线双晶衍射技术
X射线是1895年11月8日由德国物理学家 伦琴（W.C.Rontgen）在研究真空管高压放电 现象时偶然发现的。由于当时对这种射线的 本质和特性尚无了解，故取名为X射线，后人 也叫伦琴射线。从1895到1897年间，他搞清 楚了X射线的产生、传播、穿透力等大部分特 性。伦琴的这一伟大发现使得他于1901年成 为世界上第一位诺贝尔奖获得者。X射线发现 近半年就被医务界用来进行骨折诊断和定位 了，随后又用于检查铸件中的缺陷等。
半导体材料测试技术
李梅 重点实验室
半导体的检测与分析是一个介于基础研究与 应用研究之间的涉及内容很广而又不断蓬勃 发展的领域。目前对光电子材料进行物理和 化学研究的方法很多，有透射电镜、光荧光、 拉曼光谱、背散射、二次电子谱、俄歇、电 化学C-V和X射线双晶衍射等。本课程主要是 根据我们实验室现有的实验设备进行实验教 学，重点介绍X射线双晶衍射技术、光致发光 分析方法、电化学CV分布测量技术、霍尔效 应测量等方法的基本原理及其在半导体中的 应用。
三、X射线谱
当高速的阴极电子流轰击阳极时，便将
阳极物质原子深层的某些电子击出而转移到
外部壳层，这时原子就处于不稳定状态。这
样，外层的电子立即又会跃迁到内部填补空
位，使原子的总能量降低，而多余的能量就 以一定波长的X射线发射出去，形成了特征 X射线。图8-4示出了产生特征X射线的示意 图。由图可以看出，把K层电子跃迁到外层 时的激发称为K系激发，把电子由原子外层 跃迁回此时空的K壳层产生的X射称为K系 辐射。把K系辐射中电子由L壳层转移到K壳 层的辐射称为Kα辐射；
4、施主-受主对复合（D-A对复合）
D-A对发光直接与施主、受主杂质有关，利 用D-A对发光的特点可以定性地鉴定材料的 纯度。对于同一种受主杂质，D-A对发光和 B-A（导带-受主）复合发光常是并存的。 区分这两种发光的最灵敏的方法，是增大 激光发光强或升高温度。这时B-A对发光强 度比D-A对发光峰增加得快。当材料比较钝 时，B-A发光和D-A对发光峰能够清楚分开。 材料不很钝时，D-A对发光可以淹没B-A对 发光，使后者仅出现一个“肩”，甚至不 出现。另外，一般说来，当激发光强增加 时，D-A对发光峰移向高能端，材料纯度越 差，这一移动越显著。
§2.1半导体的辐射复合过程
半导体辐射复合发光光谱，既光荧光光谱。这种 情况下的光发射有三个互相联系而又区别的过程， 首先是光吸收和因光激发而产生电子-空穴对等 非平衡载流子，其次是非平衡载流子的扩散及电 子-空穴对的辐射复合，第三是辐射复合的发光 光子在样品体内的传播和从样品中出射出来。半 导体的辐射复合过程主要有带间复合 —导带-价 带复合、自由激子复合、本征带-浅杂质复合、 施主-受主对复合（D-A对复合）、束缚激子复合、 通过深能级的复合、俄歇复合。带间复合和自由 激子复合称为本征复合。
2、阳极，阳极又称之为靶（target）。是使 电子突然减速并发射X射线的地方。当高速运 动的电子与阳极相碰时，便骤然停止运动。 此时电子的能量大部分变为热能，一部分变 成X射线光能，由靶面射出。
3、窗口，窗口是X射线射出的通道。窗口材 料要求既要有足够的强度以维持馆内的高真 空，又要对X射线的吸收较小，较好的材料是 金属铍。
GaN (002) =17.33o
104
103
102
101 12 13 14 15 16 17 18 19
-2 scan (degree)
第二章 光荧光分析方法
半导体中，荧光是由被激发的载流子辐射复合产 生的。这些载流子包括：(i) 布居于导带中的电 子和价带中的空穴；(ii) 束缚于离化杂质上的 电子和空穴；(iii) 电子和空穴通过库仑作用形 成的激子，包括可以在整个晶体内自由运动的自 由激子以及由于束缚于空间上势起伏的局域化激 子等。荧光可以提供很多关于半导体晶体内部的 信息，包括电子结构、载流子弛豫过程、局域化 中心等。荧光光谱根据激发方式的不同，主要可 以分为光致荧光谱(Photoluminescence， PL)、 阴极荧光(Cathodeluminescence，CL)和电致荧 光谱(Electroluminescence，EL)等。
Eg=hc/λ=1.24/ λ Eg=1.424+1.247x
对于间接带隙半导体，导带极小值与价 带极大值不在布里渊区的同一点，既这 两个状态的k值不同，因而它们的动量 也不同。电子要在这两个不同k值的能 态实现跃迁，必须要有第三者——声子 参与，才能满足动量守恒的要求。当假 设只有一个能量为Ep的声子参加间接跃 迁过程时，辐射复合产生的光子能量为 hv ≥ Eg-Ep,其发光的光谱分布为：
Sample No.
FWHM (002) FWHM (102)
(arcmin.)
(arcmin.)
On porous Si 13.4
19.4
On bulk Si 10.6
32.3
XRD result of GaN on ordered porous Si
Intensity (a. u.)
106
105
在本实验中，我们主要的实验手段为光致 荧光谱，采用激光作为其激发光源。当激 发光光子能量大于半导体禁带宽度时，价 带的电子将会被激发至导带，在价带形成 空穴，在导带形成电子，这些光致激发载 流子通过各种可能渠道弛豫到价带顶和导 带底，于是电子就可以通过辐射复合方式 由导带跃迁回价带，发出光子。辐射复合 的光子能量主要和材料本身的物理性质有 关。由此，我们可以通过光致荧光谱来探 测材料内部性质。
由M壳层转移到K壳层的辐射称为Kβ辐射。 由于M壳层的能量较L壳层高，产生Kβ是 原子能量降低很多，所以Kβ辐射的波长比 Kα短。但是电子由M壳层跃迁到K壳层的 几率小，因此Kβ线的强度比线的小。在晶 体结构分析中常用K系X射线。K线可分为 波长比较接近的Kα1和Kα2线，它们系由能 级 和K的β精辐细射结的构强形度成比。接一近般于来1：说0，.5K:α01.、2。K由α2 于在X射线双晶衍射方法的实验中采用单 色X光，故需用Ge单色器（第一晶体）把 K波α长2和为K0β.1射54线05滤nm掉。。Cu靶的Kα1特征X射线
第一节 X射线的性质及产生
一、X射线的性质
X射线在本质上与可见光相同，都是一 种电磁波，但它的波长要短的多。通常，X 射线的波长范围约为0.01Å到100Å，介于γ 射线和紫外线之间。在研究晶体结构时常 用的X射线波长约在 2.5Å--0.5Å之间。因为 X射线的波长很短、能量很高，所以有很强 的穿透物体的能力。一般称波长短的X射线 为硬X射线，反之称为软X射线，以此来表 示它们的穿透能力。
1、自由载流子复合 —导带-价 带复合
对于具有直接带隙的半导体，它的导带极小 值和价带极大值均位于布里渊区的中心 k=(0,0,0)处，因此这两个状态具有相同的动 量，当电子从导带直接跃迁到价带时，满足 动量守恒，辐射复合产生的光子能量为hv ≥ Eg(Eg为禁带宽度)，其发光的光谱分布为：
L(hv)=B(hv-Eg)1/2 (B为比例因子)
布拉格定理
第四节 X射线双晶衍射实验方法
X射线双晶衍射仪简介
Ｘ射线双晶衍射实验是在日本理学公司生产 的D/Max-2400型Ｘ射线双晶衍射仪上进行的， Ｘ射线源是Cu靶，Ｘ射线波长＝0.15405nm, 最大输出功率12KW,第一晶体Ge单晶表面为 (400)。为了能够清楚地观察到外延峰中的干 涉条纹，在收集衍射数据时，必须减少第一 晶体与样品之间的狭缝尺寸，使入射到样品 上的光斑尽量减小，增加Ｘ射线平行性，减 少由于样品弯曲及Ｘ射线散射对干涉现象的 影响，第一晶体与样品之间选用0.05mm的狭 缝。实验结果的计算由HP工作站自动进行。
优点
对于研究材料的结晶完整性、均匀性、 层厚、组分、应变、缺陷和界面等重要信息， X射线双晶衍射方法具有独特的优势。首先它 是非破坏性的 ，其次是精度高，方法简便。 它不仅为材料生长工艺提供准确的参数，用 来指导生长工艺，同时也为器件研究和物理 研究提供了可靠的基础。这里主要介绍X射线 双晶衍射方法在光电子材料中的应用，其中 包括异质外延晶格失配、单量子阱和超晶格 结构参数的确定和测量等。
Intensity(a.U.)
400 300 200 100
0 32.9
33.0
33.1
?
33.2
A
33.3
intensity(a.u.)
3500 3000 2500 2000 1500 1000
500 0 34.90
34.95
35.00
35.05
?
35.10
35.15
A
35.20
XRD results