半导体物理及器件 实验指导书

1、 实验指导书院系： 机电工程学院 专业： 微电子 课程： 半导体物理与器件 编者： 孙玮 目 录实验一 四探针法测量半导体电阻率和方块电阻 1实验二 半导体非平衡少子寿命测试 10 实验一 四探针法测量半导体电阻率一、实验目的： 硅单晶的电阻率与半导体器件的性能有着十分密切的关系，半导体电阻率的测量是半导体材料常规参数测量项目之一。测量电阻率的方法很多，如三探针法、电容电压法、扩展电阻法等。四探针法则是一种广泛采用的标准方法，在半导体工艺中最为常用，其主要优点在于设备简单，操作方便，精确度高，对样品的几何尺寸无严格要求。四探针法除了用来测量半导体材料的电阻率以外，在半导体器件生产中还广泛用来测

2、量扩散层薄层电阻，以判断扩散层质量是否符合设计要求。因此，薄层电阻是工艺中最常需要检测的工艺参数之一。本实验的目的是掌握四探针法测量电阻率和薄层电阻的原理及测量方法，针对不同几何尺寸的样品，掌握其修正方法；了解影响电阻率测量的各种因素和改进措施。二、实验内容：1. 对所给的各种样品分别测量其电阻率；2. 对同一样品，测量五个不同的点，由此求出单晶断面电阻率不均匀度；三、实验原理与方法：1半导体材料电阻率的测量将四根探针加在待测半导体材料样品表面，由外面两根探针接恒流源，电流为，由中间两根探针测电压，从而求出材料的电阻率，它在很大程度上消除了探针的接触势垒及注入效应对测量的影响。图1.1设样品为

3、半无穷大，若样品的电阻率均匀，引入点电流源的探针其电流强度为，则所产生的电力线具有球面的对称性，即等位面为一系列以点电流为中心的半球面，如图1.1所示。在以r为半径的半球面上，电流密度的分布是均匀的。 (1-1）若E为r处的电场强度，则 (1-2）由电场强度和电位梯度以及球面对称关系，则取r为无穷远处的电位为零，则 (1-3）(1-3）式就是半无穷大均匀样品上离开点电流源距离为r的点的电位与探针流过的电流和样品电阻率的关系式，它代表了一个点电流源对距离r处的点的电势的贡献。图1.2对图1.2所示的情形，四根探针位于样品中央，电流从探针1流入，从探针4流出，则可将1和4探针认为是点电流源，由(1

4、-3)式可知，2和3探针的电位为： (1-4） (1-5）探针2、3的电位差为： (1-6）由此可得出样品的电阻率为： 图1.4 (1-7）图1.3上式就是利用直流四探针法测量电阻率的普遍公式。我们只需测出流过1、4探针的电流以及2、3探针间的电位差，代入四根探针的间距，就可以求出该样品的电阻率。图1.3实际测量中，最常用的是直线型四探针，即四根探针的针尖位于同一直线上，并且间距相等，如图1.3所示。设，则有 (1-8）式(1-8）就是常见的直线四探针（等间距）测量电阻率的公式，这一公式是在半无限大样品的基础上导出的，实用中必需满足样品厚度及边缘与探针之间的最近距离大于四倍探针间距，这样才能使

5、该式具有足够的精确度。如果被测样品不是半无穷大，而是厚度，横向尺寸一定，进一步的分析表明，在四探针法中只要对公式引入适当的修正系数即可，此时： (1-9)修正系数与样品的尺寸及所处条件的关系见表1.1和表1.2。图1.4另一种情况是极薄样品，极薄样品是指样品厚度比探针间距小很多，而横向尺寸为无穷大的样品，如图1.4所示。这时从探针1流入和从探针4流出的电流，其等位面近似为圆柱面高为任一等位面的半径设为，类似于上面对半无穷大样品的推导，很容易得出当时，极薄样品的电阻率为： (1-10）上式说明，对于极薄样品，在等间距探针情况下、探针间距和测量结果无关，电阻率和被测样品的厚度成正比。表1.1 四探

6、针平行于样品边缘的修正系数 L/SS/d00.10.20.51.02.05.010.00.02.0001.96611.87641.51981.18901.03791.00291.00040.12.0021.971.881.521.191.0401.0041.00170.22.0151.931.891.531.201.0521.0141.00940.52.1882.152.051.701.351.1761.1091.09771.03.0092.972.872.451.981.6671.5341.5122.05.5605.495.344.613.723.1042.8382.7955.013.863

7、13.7213.3211.519.283.7447.0786.69910.027.72627.4326.7123.0318.5615.4914.15613.938说明：样品为片状单晶，四探针针尖所连成的直线与样品一个边界平行，距离为L，除样品厚度及该边界外，其余周界均为无穷远，样品周围为绝缘介质包围。同样需要注意的是当片状样品不满足极薄样品的条件时，仍需按(1-9)式计算电阻率。其修正系数列在表1.3中。表1.2 四探针垂直于样品边缘的修正系数 L/SS/d00.10.20.51.02.05.010.00.01.45001.33301.25551.13331.05951.01941.00281

8、.00051.00000.11.45011.33311.25561.13351.05971.01931.00351.00151.00090.21.45191.33521.25791.13641.06371.02551.01071.00841.00700.51.52851.41631.34761.23071.16481.12631.10291.09671.09391.02.03351.92561.85261.72941.63801.56901.52251.51021.50452.03.72363.56603.44863.22623.04702.90902.81602.79132.77995.09

9、.28158.89438.60258.04727.59917.25427.02166.96006.931510.018.563017.783617.205016.094415.198314.508314.043113.919913.8629说明：样品为片状单晶，四探针针尖所连成的直线与样品一个边界垂直，探针与该边界的最近距离为L，除样品厚度及该边界外，其余周界为无穷远，样品周围为绝缘介质包围。表1.3 薄样品的修正系数s/ds/ds/d0.11.00090.61.15121.21.73290.21.00700.71.22251.41.9090.31.02270.81.30621.62.2410

10、0.41.05110.91.40081.82.50830.51.09391.01.50452.02.77992.53.4674说明：样品为片状单晶，除样品厚度外，样品尺寸相对探针间距为无穷大，四探针垂直于样品表面测试，或垂直于样品侧面测试。2扩散层的薄层电阻测量图1.5四探针法在半导体工艺中还普遍用来测量扩散层的薄层电阻，由于反向PN结的隔离作用，扩散层下的衬底可视为绝缘层，对于扩散层厚度(即结深)远小于探针间距S，而横向尺寸无限大的样品，则薄层电阻率又称方块电阻，其定义就是表面为正方形的半导体薄层，在电流方向所呈现的电阻，见1.5图，单位为/。所以： (1-11）因此有： (1-12）实际的

11、扩散片尺寸一般不很大，并且实际的扩散片又有单面扩散与双面扩散之分，因此，需要进行修正，修正后的公式为： (1-13)式中见表1.4和3.5。表1.4 单面扩散样品薄层电阻修正系数圆长 方 形1.00.99880.99941.251.24671.22481.51.47881.48931.48931.751.71961.72381.72382.01.94541.94751.94752.52.35322.35412.35413.02.26622.45752.70002.70052.70054.02.92893.11373.22463.22483.22485.03.36253.50983.57493.

12、37503.57507.53.92734.00954.03614.03524.036210.04.17164.22094.23574.23574.235715.04.36464.38824.39474.39474.394720.04.43644.45164.45534.45534.455340.04.50764.51204.51294.51294.51294.53244.53244.53244.53214.5321说明：四探针的中心点在样品的中心表1.5 双面扩散样品薄层电阻修正系数 圆长 方 形1.01.99761.94971.252.37412.35501.52.95752.71132.7

13、0101.753.15962.99532.98872.03.33813.22953.22482.53.64083.57783.57513.04.53244.91243.85433.81273.81094.04.53244.64774.11134.08994.03885.04.53244.57904.25044.62324.23567.54.53244.54154.40084.39464.394310.04.53244.53534.45714.45364.453515.04.53244.53294.49854.49694.496920.04.53244.53264.51324.51244.512

14、440.04.53244.53254.52754.52734.52734.53244.53244.53244.52344.5324说明：四探针的中心点在样品的中心四、实验条件：本实验的测试装置主要由四探针头和RT-8型四探针测深仪组成。测试要求四探针头的导电性能必须好，且质硬耐磨。针尖的曲率半径25-50m，四根探针要固定且等距排列在一条直线上，其间距通常为1mm，探针与被测样品间的压力一般为20牛顿左右。五、实验步骤：1. 接好测量线路；2. 将被测样品表面用金钢砂研磨(指单晶硅样品)，冲洗干净后，再用酒精棉球擦洗干净，晾干，这样处理后就可以获得新鲜磨毛的测试平面，以使探针和样品实现较好的欧

15、姆接触，当样品与室温相同后方可开始测量。注意：操作过程中保持样品的清洁，不要用手触摸样品表面；3. 放置样品于测试台,操作探针台压下四探针头,使样品接通电流；4. 估计测试样品的测量范围，确定测试的电流量程；5. 根据四种测试类别各自的测试电流公式得出测试电流值；7. 在选择电流状态下调节主机电位器使测试电流为计算出的电流；8.切换到电阻测量状态，根据不同测试类别，获得电阻率、方块电阻、电阻值。六、 实验注意事项：1.为增加表面复合，减少少子寿命及避免少子注入，被测表面需粗磨或喷砂处理；2.对高阻材料及光敏材料，由于光电导及光压效应会严重影响电阻率的测量，这时测量应在暗室进行；3.电流要选择适

16、当，电流太小影响电压检测精度，电流太大会引起发热或非平衡载流子注入；4.半导体材料的电阻率受温度的影响十分敏感，因此，必须在样品达到热平衡情况下进行测量并记录测量温度；5.由于正向探针有少子注入及探针移动的存在，所以在测量中总是进行正反两个电流方向的测量，然后取其平均以减小误差。七、 实验报告要求：1. 对所给样品测量五个不同的点，计算(修正)当I=1mA时的电阻率；2. 对样品进行不同电流但测量点相同情况下的测量，计算(修正)同点电流不同时的电阻率；3. 对上述情况计算方块电阻值实验二 半导体非平衡少子寿命测试一、实验目的： 熟悉半导体中非平衡载流子的产生、消失原理及特性，掌握用非平衡载流子

17、寿命测试仪和示波器观测、测试寿命的方法。二、实验内容：1.了解非平衡少子寿命测试仪和示波器的工作原理及使用方法。2.测试不同起始浓度下非平衡少子寿命，比较实验观测到的少子寿命曲线的区别。检验实验的重复性及稳定性。3.改变示波器的实验参量设置，观察实验参量设置对少子寿命曲线的影响，学会对实验观测到的曲线进行选取的有效方法。三、实验原理与方法：1. 热平衡态和热平衡载流子热平衡态：没有外界作用，半导体材料有统一费米能级，和确定的载流子浓度。热平衡时，电子和空穴的产生率等于复合率。2.非平衡态和非平衡载流子1）如果对半导体施加外界作用，半导体材料的载流子浓度对热平衡态下的载流子浓度发生偏离，这时材料

18、所处的状态为非平衡状态。2）非平衡载流子的引入方法有光注入和电注入。根据注入程度的不同，又分为小注入和大注入，通常我们只研究小注入的情况。3）半导体中载流子随时间变化的过程，称为弛豫过程，如下图2-1所示3. 非平衡载流子的平均生存时间 称为非平衡载流子的寿命。以一块n 型半导体为例，在t=0 时刻，非平衡载流子浓度为(P)0，此时停止光照，非平衡载流子浓度随时间衰减P(t)= (P)0e-t/，则寿命标志着非平衡载流子浓度衰减至起始值的1/e倍时所经历的时间，如图2-2所示。图2-1 弛豫过程 图2-2 少子寿命 四、实验条件：本实验的测试装置主要由LT-2型单晶少子寿命测深仪和示波器组成。少子寿命测深仪根据国际通用的高频光电导衰退法的原理设计，备有红外光源，测试灵敏度较高。五、实验步骤：1. 接通电源，用高频连接线将少子寿命测深仪的信号输出与示波器的Y输入接替，开机并预热15分钟；2. 将清洁处理后的样品置于电极上，检波电压出现；3截图红外发光管工作电源，调整电压；4. 调整示波器电平、释抑时间内同步及调整各有关参数，是输出光电导信号波形稳定，并尽量与屏幕标准指数曲线吻合；5. 观测波形并记录有关数据。七、 实验报告要求：1. 了解少子寿命测试实验原理，学习使用实验仪器；2. 如何处理光电导信号衰减波形偏离指数曲线的情况？3. 实验中测得的不同光强下少子寿命的数值对比、分析