1、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 1、定向定向：光学定向法；X光定向法 2、缺陷缺陷：?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（T
2、EM）?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（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）电阻率?四探针法四探针法?三探针法?非接触法?扩展电阻法 三探针法（击穿电压法）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
3、击穿电压与材料电阻率 之间存在经验关系UB=An。若测出肖特基结的击穿电压则可求出材料的电阻率。扩展电阻测量扩展电阻测量?用于测量侧向电阻率变化?测量范围宽(10121021 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。样品制备，探针准备，测量过程，数据收集，校准。原理原理?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?。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
4、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 SRr02?4KRRRbSs00?KRRSs0非接触法非接触法?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。2、导电类型、导电类型?冷热探针法?三探针法?单探针
5、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；?
6、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：光学显微镜的分辨率：?光学显微镜的最大分辨率：光学显微镜的最大分辨率：0.2m；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最高在10001500倍。倍。?欲提高分辨率，只有降低光源的波长。20?r扫描电子显微术扫描电子显微术?放大倍数：1050万倍；?分辨率：3nm10nm；?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的成像原理的成像原理?扫描电镜的成像
7、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
8、维图像。扫描电镜系统组成扫描电镜系统组成 (1)电子光学系统（镜筒）(2)(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1020 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。透射电子显微术透射电子显微术?分辨率：0.2nm
9、；?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、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。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、操作四部分：电子光学系统、电源系统、真空系统、操作控制系统控制系统 制样技术制样技术?由于电子束的穿透力较弱，难以穿过0.1 m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
10、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m。电子能谱技术电子能谱技术 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AES X光能谱法XES 阴极荧光光谱法 X光光电子能谱法XPS X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 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
11、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。X射线衍射技术射线衍射技术 XRD（X-ray Diffraction）Bragg定律 2dhklsin?=n?d?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。晶面间距(d)公式：?立方晶系：?四方晶系：?正交晶系：222221alkhdhkl?2222221clakhdhk
12、l?22222221clbkahdhkl?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（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 （DCXRD:Double crystal X-ray diffraction）主要测量单晶
13、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(Full width at half maximum)XRD测试结果实例1 253035404550556065707580010020030040050060070080090010001100120034.135.6541.56071.753C-SiC(311)3C-SiC(220)3C-SiC(111)6H-SiC(110)6H-SiC(101)Intensity/(a.u)2?/o自碳饱和硅熔体中生长-SiC晶体 看出在2扫描范围内,出现了分别与6H-SiC(101)、-SiC(111)、
14、6H-SiC(110)、-SiC(220)和-SiC(311)五个最强的衍射晶面对应的衍射峰，表明所制备的-SiC样品中含有6H-SiC的成分 253035404550556065707580010002000300040005000600035.7560.0571.83C-SiC(311)3C-SiC(220)3C-SiC(111)Intensity/(a.u)2?/0仅出现-SiC的三个衍射峰，进一步的分析表明对应于-SiC(111)、-SiC(220)和-SiC(311)衍射晶面，表明样品为-SiC多晶体 XRD测试结果实例2 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
15、要组成部分包括：X光机光机，提供稳定的X光源；测角仪测角仪，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 X射线光电子谱射线光电子谱(XPS)X-ray Photoelectron Spectroscopy 俄歇能谱仪（俄歇能谱仪（AES）Auger photoel
16、ectron spectroscopy X射线光电子能谱仪（XPS）/俄歇能谱仪（AES）仪器型号：仪器型号：AXIS ULTRA 生产厂家：生产厂家：英国KRATOS ANALYTICAL Ltd.基本原理 h?X射线光电子能谱 e Auger电子能谱 单色单色X射线光子的能量在射线光子的能量在10001500ev之间，不仅可使分子的价电子电离而且也之间，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
17、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（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。）；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。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
18、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(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)，简称为“ESCA”，这一称谓仍在分析领域内广泛使用。X X射线光电子发射的3 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
19、道结合能，EK 是入射光子所激发出的光电子的动能。XPS定性分析 XPS分析,利用已出版的XPS手册。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 AugerAuger电子能谱原理电子能谱原理 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
20、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EKEL1 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 K L1 L23 M EF 1839ev 149ev 99ev 13ev 0ev 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 Auger电子能谱分析法 Auger photoelectron spectroscop
21、y 入射电子能量约为210kev，在样品中只能穿透很薄的表层，俄歇电子能量比较低202000ev，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。Auger电子能谱分析实例 XPS和AES的比较 XPS AES 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
22、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，随着科学技术的发展，XPS也在不断地完善。目前，已开发出的也在不断地完善。目前，已开发出的小面积小面积X射线光电子能谱，大大提高了射线光电子能谱，大大提高了XPS的空间分辨能力。的空间分辨能力。二次离子质谱仪二次离子质谱仪SIMS （Secondary Ion Mass Spectrometry）用质谱方法分析由一定能量的一次离子(5-15Kev)打在样品靶上
23、溅射产生的正、负二次离子来获取样品的信息。获取样品沿纵向方向的浓度剖面和进行痕量杂质鉴定。二次离子质谱仪测试原理二次离子质谱仪测试原理 当一次离子轰击样品表面微区时，表层的一部分原子得到较多的能量，它们能克服表面势垒而逸出。一次离子能够穿透上面一些原子层到达固体样品中的一定深度，在穿透过程中产生一系列的级联碰撞。一次离子把它的部分能量传递给晶格原子。这些原子中有一部分向表面运动，并把能量的一部分传递给表面粒子使它发射，这种过程称为粒子溅射过程。溅射出的粒子大部分为中性原子或分子，小部分为带正、负电荷的原子离子和分子离子。这些二次离子由浸没透镜引出，进入二次离子光学系统，经静电分析器和磁质谱仪后
24、，按其质荷比Me的大小分离，对二次离子进行质谱分析便可获得关于样品表面元素、同位素、化合物的组分及分子结构和一定的晶格信息；通过逐层剥离便可获得各种成分的深度分布及样品成分的三维分布信息 二次离子质谱仪结构二次离子质谱仪结构 一个基本的二次离子质谱仪主要包括以下五部分：（1）样品架和送样系统，（2）主真空系统，主真空系统保证了样品室和质谱室都处于相当高的真空度。（3）离子枪系统，离子枪用来产生SIMS分析所需的一次离子束，并同时具有清洁表面和剥离表面做深度剖面分析的功用。根据不同的使用要求，对粒子束流的类型、纯度、能量、束流密度、束斑大小等可作相应的调整。（4）二次离子分析系统，二次离子分析系
25、统主要是收集样品产生的二次离子，进行离子流收集和放大，并对二次离子携带的表面信息做能量分析和质量分析。（5）离子流计数系统、供电系统和数据及图像系统。二次离子质谱仪测试特点 二次离子质谱分析中，离子源束斑大小为微米量级,可进行微区成像分析和深度剖面分析，可检测包括氢在内的所有元素，给出同位素信息 具有很高的灵敏度(ppm-ppb 量级)，SIMS仪器进行痕量杂质分析，一般的浓度范围在10131020 cm-3 目前SIMS测试仍有几点不足：SIMS测试是一个破坏性的过程，其测试原理所限;定量分析比较困难，由于二次离子的发射机制比较复杂，同一样品(基体)中，各种不同元素的离子化效率可相差45个数
26、量级，同一元素在各种不同样品中的离子化效率也有很大差异，存在明显的基体效应。二次离子质谱仪测试实例二次离子质谱仪测试实例 二次离子质谱仪测试实例 HBT的材料结构的材料结构 Layer Materials Doping(cm-3)Thickness(nm)HBT Cap n+-InGaAs 51018 120 Emitter n+-InP 11019 70 n-InP 51017 120 i-InGaAs undoped 10 Base p+-InGaAs 21019 70 Collector n-InGaAs 21016 450 Sub-collector n+-InGaAs 51018 500 02004006008001000 1200 1400 160010-1100101102103104105106107108109 Intensity(c/s)Depth(nm)Zn Ga As In
