半导体材料第六章新

半导体材料第六章新第一页，共五十九页，编辑于2023年，星期五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，少子寿命等第二页，共五十九页，编辑于2023年，星期五1、

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射线形貌技术第三页，共五十九页，编辑于2023年，星期五3、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（SecondaryIonMassSpectrometry）2）氧碳含量红外吸收光谱技术第四页，共五十九页，编辑于2023年，星期五3）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第五页，共五十九页，编辑于2023年，星期五4、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第六页，共五十九页，编辑于2023年，星期五三探针法（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穿电压则可求出材料的电阻率。第七页，共五十九页，编辑于2023年，星期五第八页，共五十九页，编辑于2023年，星期五扩展电阻测量用于测量侧向电阻率变化测量范围宽(1012–1021cm−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。第九页，共五十九页，编辑于2023年，星期五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。第十页，共五十九页，编辑于2023年，星期五

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。

=

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

辐射状电流示意图第十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期五第十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期五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。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。第十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期五第十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期五第十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期五第十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期五2、导电类型冷热探针法三探针法单探针点接触整流法第十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期五第十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期五第十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期五第二十页，共五十九页，编辑于2023年，星期五第二十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期五检流计左偏为N型，右偏为P型第二十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期五XRD、XPS、SEM等现代测试技术简介第二十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期五电子和物质的相互作用第二十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期五背散射电子：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。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。第二十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期五光学显微镜的分辨率：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。第二十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期五第二十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期五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。第二十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期五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2-3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。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。第二十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期五扫描电镜系统组成(1)电子光学系统（镜筒）

(2)扫描系统

(3)信号收集系统

(4)图像显示和记录系统

(5)真空系统

(6)电源系统第三十页，共五十九页，编辑于2023年，星期五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10～20nm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。第三十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期五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）第三十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期五透射电镜：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、操作控制系统第三十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期五制样技术由于电子束的穿透力较弱，难以穿过0.1μm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。第三十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期五电子能谱技术

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。分析技术高能电子入射光子或X射线俄歇能谱法AESX光能谱法XES阴极荧光光谱法X光光电子能谱法XPSX射线衍射方法扫描电子显微镜SEM透射电子显微镜TEM高能离子入射二次离子质谱法第三十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期五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。第三十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期五X射线衍射技术XRD（X-rayDiffraction）Bragg定律2dhklsin=n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。第三十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期五晶面间距(d)公式：立方晶系：四方晶系：正交晶系：第三十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期五

X射线衍射仪测试原理示意图

第三十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期五XRD技术的应用粉末x射线衍射高分辨率X射线双晶衍射高分辨率X射线双晶衍射是指测量样品的摇摆曲线（rockingcurve）。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（DCXRD:DoublecrystalX-raydiffraction）主要测量单晶的材料特性单晶，多晶粉末，或固体片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(Fullwidthathalfmaximum)第四十页，共五十九页，编辑于2023年，星期五XRD测试结果实例1自碳饱和硅熔体中生长β-SiC晶体看出在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β-SiC(311)五个最强的衍射晶面对应的衍射峰，表明所制备的β-SiC样品中含有6H-SiC的成分第四十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期五仅出现β-SiC的三个衍射峰，进一步的分析表明对应于β-SiC(111)、β-SiC(220)和β-SiC(311)衍射晶面，表明样品为β-SiC多晶体XRD测试结果实例2第四十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期五第四十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期五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、输出和模拟分析第四十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期五X射线光电子谱(XPS)

X-rayPhotoelectronSpectroscopy俄歇能谱仪（AES）Augerphotoelectronspectroscopy第四十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期五X射线光电子能谱仪（XPS）/俄歇能谱仪（AES）仪器型号：AXISULTRA生产厂家：英国KRATOSANALYTICALLtd.第四十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期五基本原理hX射线光电子能谱eAuger电子能谱单色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。第四十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期五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第四十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期五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。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。K.Siegbahn给这种谱仪取名为化学分析电子能谱(ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis)，简称为“ESCA”，这一称谓仍在分析领域内广泛使用。第四十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期五X射线光电子发射的3步骤X射线照射样品入射光子和样品原子相互作用，光致电离产生光电子光电子输运到表面，克服逸出功发射理论基础－光电效应根据Einstein的能量关系式有：h=EB+EK其中为光子的频率，EB

是内层电子的轨道结合能，EK

是入射光子所激发出的光电子的动能。第五十页，共五十九页，编辑于2023年，星期五XPS定性分析XPS分析,利用已出版的XPS手册。第五十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期五化合态识别由于元素所处的化学环境不同，它们的内层电子的轨道结合能也不同，即存在所谓的化学位移。其次，化学环境的变化将使一些元素的光电子谱双峰间的距离发生变化，这也是判定化学状态的重要依据之一。元素化学状态的变化有时还将引起谱峰半峰高宽的变化。Ti及TiO2中2p3/2峰的峰位及2p1/2和2p3/2之间的距离第五十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期五Auger电子能谱原理

原子处于基态时，核外电子依次排列在具有一定能量的能级K、L、M、N上。在入射电子的作用下，K能级上的电子被激发电离留下空位，原子处于不稳定的状态要达到稳定，假定L1层上的电子跃迁到K层填补空位，这时将释放多余能量EK－EL1两种释放方式：发射特征X射线－XES探测的对象将L23层上的电子激发电离－产生俄歇电子KL1L23MEF1839ev149ev99ev13ev0ev入射电子XES俄歇电子Auger电子能量与元素序数和产生的能级有关，具有特征性；对于3~14的元素，Auger峰类型为：KLL型；对于14~40的元素，Auger峰类型为：LMM型；大于40的元素，Auger峰类型为：MNN型第五十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期五Auger电子能谱分析法

Augerphotoelectronspectroscopy入射电子能量约为2－10kev，在样品中只能穿透很薄的表层，俄歇电子能量比较低20－2000ev，在固体中自由程很短，1nm左右，因而俄歇谱不能揭示样品内部信息只能给出表层信息。如果结合溅射离子枪对样品进行剥层技术，则可以得到材料的组分和杂质元素的纵向分布。俄歇电子具有的能量为：EKLL=EK-EL1-EL23即俄歇电子能量只与原子的有关电子壳层的能量本征值有关。故俄歇电子能谱分析可识别材料组分原子和杂质原子。第五十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期五Auger电子能谱分析实例第五十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期五XPS和AES的比较XPSAES对样品表面损伤小，定量分析最好。XPS不会对样品充电，可分析绝缘材料可分析价态和化学键类型X射线难于聚焦XPS横向分辨率差灵敏度0.1%入射电子束斑可以很小很好的微区分析能力，很高的横向与深度分辨率性能指标适中、分析速度较快特别适合分析原子序数小的元素可鉴别元素的化学状态结合剥层技术可进行深度分布分析灵敏度0.1%随着科学技术的发展，XPS也在不断地完善。目前，已开发出的小面积X射线光电子能谱，大大提高了XPS的空间分辨能力。第五十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期五二次