„Metody badania

materiałów

półprzewodnikowych”

(

pytanie 24)

Grzegorz Smyczyński 129000

Półprzewodniki

Półprzewodniki są materiałami, których rezystywność

jest większa niż rezystywność przewodników i

mniejsza niż rezystywność dielektryków.

Pomiędzy przewodnikami a półprzewodnikami

istnieje istotna różnica jakościowa; dielektryki z

półprzewodnikami odróżnia się na podstawie

umownego kryterium ilościowego, a nie różnic

jakościowych.

Rezystywność w półprzewodnikach jest silnie zależna

od zanieczyszczeń (zwanych domieszkami – jeśli

obecność obcych substancji zamierzona), a także

od różnego rodzaju promieniowania.

TWR półprzewodników ma wartość ujemną (ok. -5…-

10%/°C); w przypadku przewodników jest to

wartość dodatnia (0,3…0,6 %/°C).

Parametry półprzewodników

PARAMETRY ELEKTRYCZNE: rezystywność, typ

przewodnictwa, koncentracja nośników, ruchliwość

ładunków, stała dielektryczna, szerokość przerwy

energetycznej;

PARAMETRY OPTYCZNE: współczynnik załamania,

współczynnik transmisji, tłumienność, charakterystyka

spektralna, szerokość przerwy energetycznej;

PARAMETRY STRUKTURALNE: skład, rozmiary komórki

elementarnej, gradient stałej sieciowej, szerokość

przerwy energetycznej, mozaikowatość, morfologia,

naprężenia w materiale, poziom zdefektowania, rodzaje

defektów, klasa krystalograficzna,

PARAMETRY TERMICZNE: TWR, przewodność cieplna,

Metody badania – klasyfikacje
(1)

• ze względu na badany obszar:

– punktowe – ostrzowe
– skaningowe,
– objętościowe,

• ze względu na rodzaj otrzymywanych

informacji:

– jakościowe,
– ilościowe,

• ze względu na metodę pomiarową:

– fizyczne,

- optyczne,

– chemiczne, - rentgenowskie,
– elektryczne, - elektronowe,

Metody badania – klasyfikacje
(2)

• ze względu na rodzaj czynnika pobudzającego:

– fotony (met. optyczne, met. rentgenowskie),

– elektrony,

– jony (met. spektroskopowe, met. dyfrakcyjne, FIM),

– atomy (met. neutronowe, met. rozpraszania

atomowego),

– pole elektryczne,

– pole magnetyczne,

– energia cieplna,

– energia mechaniczna,

• ze względu na zakres energii czynnika

pobudzającego:

– wysokoenergetyczne,

– niskoenergetyczne,

Metody badania – klasyfikacje
(3)

Ze względu na PARAMETRY

PÓŁPRZEWODNIKA:

• pomiar parametrów elektrycznych

– pomiary metodami stykowymi (sonda

czteroostrzowa, sonda trójostrzowa,

pomiar rezystancji rozpływu, pomiary

pojemnościowe)

– pomiary metodami bezstykowymi

(pomiary mikrofalowe, rezonans

elektronowy EPR, rezonans magnetyczny

MPR, pomiary współczynnika Halla)

Metody badania – klasyfikacje
(4)

• pomiar parametrów optycznych

– mikroskopia (IR, widzialne, UV),
– spektroskopia (UV, widzialne, IR, FIR),
– fotoluminescencja (pomiar widma emisyjnego

materiału pobudzonego do świecenia),

– fotoodbicie (wyznaczanie pochodnej widma

optycznego ze względu na wybrany parametr),

– refraktometria (pomiary na podstawie ugięcia fali

świetlnej),

– elipsometria (badanie zmian polaryzacji światła przy

oddziaływaniu z warstwami półprzewodnika, np.
zmiany polaryzacji wskutek odbicia od
półprzewodnika),

Metody badania – klasyfikacje
(5)

• pomiar parametrów strukturalnych:

– dyfraktometria rentgenowska,
– wyznaczanie mapy węzłów sieci

odwrotnej,

– mikroskopia elektronowa lub

mikroskopia sił atomowych (AFM),

Pomiar rezystywności (1)

•

metoda sondy czteroostrzowej

metoda sondy czteroostrzowej – najprostsza i
najpowszechniej stosowana metoda pomiaru
rezystywności; głowica pomiarowa zaopatrzona
jest w 4 ostrza ustawione wzdłuż jednej prostej
w jednakowej odległości od siebie; przez
zewnętrzne ostrza płynie prąd I; spadek
napięcia U mierzy się między wewnętrznymi
ostrzami; rezystywność oblicza się ze wzoru:

 

m

d

I

U

K







gdzie d – grubość warstwy [m],
K – współczynnik korekcyjny (dla
płytek o grubości co najmniej 3x
mniejszej niż odległość miedzy
ostrzami K=4,53)

Pomiar rezystywności (2)

•

metoda sondy trójostrzowej

metoda sondy trójostrzowej – podstawą pomiaru

rezystywności tą metodą jest zależność napięcia

przebicia U

P

diody ostrzowej od rezystywności

półprzewodnika;
ostrze metalowe, będące elementem sondy

trójostrzowej, stykając się z powierzchnią warstwy,

stanowi diodę ostrzową, której napięcie przebicia

jest funkcją rezystywności warstwy epitaksjalnej; do

ostrzy 1 i 3 doprowadza się napięcie zewnętrzne

polaryzujące zaporowo diodę wytworzoną z badanej

warstwy i ostrza diodowego 3; w pobliżu ostrza 3

wytwarza się obszar ładunku przestrzennego;

napięcie przebicia diody ostrzowej mierzy się

między ostrzami 2 i 3.

Pomiar rezystywności (3)

• metoda pomiaru rezystancji rozpływu –

umożliwia zwiększenie rozdzielczości
przestrzennej, której stosunkowo małą
wartość ma metoda czteroostrzowa
(jest to uwarunkowane rozstawem
ostrzy sondy);

• w pomiarze tym również korzysta się z

ostrzowego złącza metal -
półprzewodnik

Pomiar rezystywności (4)

• korzysta się również z metod

bezkontaktowych, które polegają na
sprzęgnięciu badanej próbki z aparaturą
pomiarową przy pomocy fal
elektromagnetycznych

– metoda rezonansowa – polega na pomiarze

tłumienia rezonatora wnękowego, w którym
znajduje się próbka o określonym kształcie;

– metoda pomiaru współczynnika odbicia

wiązki mikrofalowej padającej na badaną
próbkę;

Pomiar koncentracji nośników
(1)

• pomiar z wykorzystaniem efektu Halla,

w przewodniku z prądem umieszczonym w polu

magnetycznym powstaje poprzeczne do prądu i pola

magnetycznego napięcie elektryczne, które wynosi:

gdzie

n – koncentracja nośników

n – koncentracja nośników, e – ładunek elementarny,

d – grubość płytki, B – indukcja pola magnetycznego, R –

stała materiałowa, I – natężenie przepływającego prądu, V

H

–

napięcie Halla

• metody magnetooporowe – pomiar zależności

temperaturowego współczynnika Halla i

rezystywności oraz zmian współczynnika Halla w

polu magnetycznym w temperaturze ciekłego azotu

d

RIB

ned

IB

V

H





Pomiar koncentracji nośników
(2)

• metoda CV

– wygodna, nieniszcząca metoda określania

rozkładu koncentracji domieszki w
półprzewodniku, zwana też profilowaniem
półprzewodnika;

– metoda ta jest analizą pojemnościowo –

napięciową obszaru zubożonego w zaporowo
spolaryzowanym złączu Schottky’ego;

– wadą metody jest ograniczona głębokość

profilowania spowodowana przebiciem
elektrycznym złącza przy zbyt wysokim
napięciu wstecznym;

Pomiar koncentracji nośników
(3)

• metoda ECV

– metoda eliminująca główną wadę metody CV,

w której do utworzenia złącza Schottky’ego

wykorzystuje się elektrolit; złącze powstaje

w miejscu zwilżania powierzchni badanej

próbki przez elektrolit i jest jednocześnie

drugim kontaktem pomiarowym;

– elektrolit musi tworzyć poprawne złącze

Schottky’ego z badanymi półprzewodnikami

oraz skutecznie trawić ich tlenki;

– jest to metoda niszcząca(!), jej głównym

ograniczeniem jest trudność określenia

powierzchni złącza elektrolit - półprzewodnik

Metody pomiaru koncentracji
domieszki

na podst. opracowania dr. Marka Panka (1)

1.

SIMS – Secondary Ion Mass Spectroscopy – tą

metodą określa się całkowitą aktywną elektrycznie

i nieaktywną, sumaryczną ilość domieszki w

trakcie trawienia jonowego półprzewodnika

2.

Pomiary rezystancji powierzchniowej

półprzewodnika sondą czteroostrzową

z następującym po każdym pomiarze trawieniem

chemicznym

3.

Pomiary rezystancji rozpływu prądu dokonywane

za pomocą przesuwanego po powierzchni szlifu

skośnego ostrza

4.

Pomiary efektu Halla metodą van der Pauwa

z sekwencyjnym trawieniem anodowym – tutaj

dodatkowo określa się ruchliwość nośników

Metody pomiaru koncentracji
domieszki

na podst. opracowania dr. Marka Panka (2)

5. Obliczenia komputerowe przy pomocy licznych

symulatorów procesów technologicznych

(np. rodzina

SUPREM)

6. Badania radiometryczne produktów trawienia półprz.

domieszkowanego radioaktywnym izotopem domieszki

7. Niskoczęstotliwościowe (kilka – kilkadzies. kHz)

pomiary pojemnościowe struktury elektrolit –

półprzewodnik przy stałej, z reguły małej polaryzacji w

kierunku zaporowym, przy czym elektrolit używany

jest naprzemiennie raz jako elektroda pomiarowa, a

drugi jako agent trawiący półprzewodnik

8. Ogólnie rozumiane metody pomiarów

pojemnościowych, bazujące na fakcie, że głębokość

obszaru wymiecionego z ładunku przestrzennego

jest funkcją wartości napięcia polaryzacji w kierunku

zaporowym struktury z półprzewodnikiem (CV i ECV)

Pomiar ruchliwości nośników

• metoda van der Pauwa

– udoskonalona metoda czteroostrzowa; sondy

przykłada się do brzegu struktury testowanej,

– polega ona na jednoczesnym wyznaczeniu

konduktywności i współczynnika Halla dla danej

warstwy epitaksjalnej; pomiar jest możliwy dla

warstw epitaksjalnych osadzonych na podłożu

o przeciwnym typie przewodnictwa

– pomiar ww. parametrów umożliwia określenie

zarówno koncentracji nośników jak również ich

ruchliwości

– bez wykorzystania pola magnetycznego metodę

można wykorzystać do pomiaru rezystywności

próbek płaskich

Pomiar typu przewodnictwa

• metoda gorącej sondy

– przyłożenie gorącej i zimnej sondy do próbki

i pomiar różnicy potencjałów (napięcia)

umożliwia ocenę typu przewodnictwa:
jeśli na gorącej sondzie jest potencjał

dodatni, to próbka jest typu p;
jeśli natomiast ujemny – próbka jest typu n,

– występuje tu zjawisko odpływu nośników

większościowych od gorącego obszaru;

• charakterystyka I-U styku metal –

półprzewodnik

• CV

Pomiar stałej dielektrycznej

• pomiary mikrofalowe

– tłumienie i przesunięcie fazy
– dobroć
– częstotliwość rezonansowa

• EPR i MPR – rezonanse: elektronowy

i magnetyczny

Pomiar przerwy energetycznej
(1)

• metoda dyfrakcji rentgenowskiej (XRD)

• na podstawie nachylenia prostej

gdzie



- przewodność

• spektroskopia fotoodbiciowa (

PR

PR) – nieniszcząca

metoda badania właściwości optycznych; metoda

modulacyjna – wyznaczanie pochodnej widma

optycznego ze względu na wybrany parametr;

modulacja przez wzbudzenie par elektron – dziura

na skutek oświetlenia wiązką pompującą

• fotoluminescencja (

PL

PL) – próbka oświetlana jest falą

wystarczająco krótką do wzbudzenia swobodnych

nośników; mierzy się widmo emisyjne sygnału;

kT

E

g











ln

ln

Pomiar przerwy energetycznej
(2)

na podst. pracy K.Rudno-Rudzińskiego

Spektroskopia fotoodbiciowa (PR)

•

Fotoodbicie jest metodą optyczną (nieniszczącą) badania

struktur półprzewodnikowych należącą do grupy

modulacyjnych, czyli takich, w których wyznacza się widma

optyczne o charakterze różniczkowym otrzymane dzięki

modulacji (periodycznym zmianom) jakiegoś parametru;

•

W przypadku pomiarów fotoodbiciowych struktur

półprzewodnikowych modulację uzyskuje się dzięki

oświetlaniu próbki przerywaną periodycznie wiązką światła

laserowego o energii większej (w większości przypadków) od

energii charakterystycznej układu, zazwyczaj największej

przerwy wzbronionej w badanej strukturze. Światło wiązki

pompującej jest absorbowane i generowane są pary elektron-

dziura, które są następnie separowane przestrzennie przez

pole elektryczne wbudowane w strukturę, wynikające z

istnienia powierzchni i/lub interfejsów w układzie.

Rozsunięcie się nośników o przeciwnych znakach prowadzi do

zmiany zakrzywienia pasm, czyli w do zmiany pól

elektrycznych wewnątrz próbki;

Pomiar współczynnika
załamania

•

spektroskop pryzmatyczny

spektroskop pryzmatyczny, który wykorzystuje zjawisko
rozszczepienia (dyspersji) światła przy przejściu przez
pryzmat; ponieważ współczynnik załamania n jest funkcją
długości fali, zatem każdy ze składników promieniowania
światła białego załamuje się pod nieco innym kątem;

– W spektroskopach wykorzystuje się występowanie

dyspersji normalnej (gdy n rośnie,  maleje)

•

refraktometr interferencyjny

refraktometr interferencyjny – wytwarza się dwie
rozdzielone, spójne wiązki świetlne na jednakowych
odcinkach z tym, że na drodze jednej wiązki znajduje się
przezroczyste ciało o określonej długości l i
współczynniku n; liczba obserwowanych prążków zależna
jest od n i wynosi

(n

0

– współczynnik otoczenia)







0

n

n

l 

Pomiar PARAMETRÓW
STRUKTURALNYCH (1)

• głównie dyfrakcja rentgenowska (XRD – X-ray Diffraction)

– metoda wykorzystująca zjawisko interferencji fal

wtórnych rozpraszanych przez elektrony ośrodka bez

zmiany długości fali;

• pomiar:

– niedopasowania parametrów warstwy, epitaksjalnej i podłoża,
– grubości warstw epitaksjalnych,
– gradient rozkładu poszczególnych składników,
– doskonałość warstw (gęstość dyslokacji),
– naprężenia w strukturze,
– preferowana orientacja kryształów,
– periody w supersieciach,
– zawartość procentowa składników w związkach potrójnych

i poczwórnych.

Pomiar PARAMETRÓW
STRUKTURALNYCH (2)

• poza tym do badania parametrów strukturalnych

stosuje się również metody diagnostyki
optycznej, np.:

– do badania naprężeń w strukturze -

spektroskopię

spektroskopię

fotoodbiciową

fotoodbiciową (patrz pomiar przerwy energetycznej)

– do badania powierzchni –

metody mikroskopowe

metody mikroskopowe

(AFM),

(AFM), a także

elektronowe (LEED –

elektronowe (LEED –

Low Energy

Low Energy

Electron Difraction

Electron Difraction

)

)

• LEED: czystość powierzchni, odległości między

zaadsorbowanymi na powierzchni cząsteczkami,
ocena powierzchni w zakresie występujących na niej
stopni itp.

Pomiar PARAMETRÓW
STRUKTURALNYCH (3)

•

AES

AES –

Auger Electron Spectroscopy

Auger Electron Spectroscopy –

metoda wykorzystująca zjawisko
bezradiacyjnego przejścia elektronu
z wyższej powłoki na niższą, któremu
towarzyszy emisja wolnego elektronu.

– pomiar składu chemicznego, stechiometrii

związków, struktury pasmowej, rozkładu
stężenia pierwiastków na powierzchni,
badanie zanieczyszczeń powierzchniowych

Pomiar defektów, stanów
pułapkowych, zanieczyszczeń

• analiza chemiczna,
• analiza radioaktywna,
• widma fotoluminescencji,
• pomiar przezroczystości i dwójłomności

w widmie podczerwonym (czysty kryształ

jest przezroczysty dla podczerwieni),

• spektroskopia fotoadmitancyjna - badanie

zachowania się wzbudzonych światłem

nadmiarowych nośników, które pozwala

ocenić procesy pułapkowania i rekombinacji

nośników w przerwie energetycznej

Zakończenie

DZIĘKUJĘ ZA

DZIĘKUJĘ ZA

UWAGĘ

UWAGĘ