Metody badania

materiałów

półprzewodnikowych

Systematyka

Podział ze względu na właściwości

półprzewodników:

• Elektryczne
• Strukturalne
• Optyczne
• Termiczne

Parametry półprzewodników (1)

Parametry elektryczne:
• rezystywność
• typ przewodnictwa
• koncentracja nośników
• ruchliwość nośników
• stała dielektryczna
• przerwa energetyczna

Parametry półprzewodników (2)

Parametry strukturalne:
• skład materiału
• struktura atomowa
• rozmiar komórki elementarnej
• topografia powierzchni
• naprężenia w materiale
• liczba defektów strukturalnych

Parametry półprzewodników (3)

Parametry optyczne:
• współczynnik załamania
• charakterystyka spektralna
• optyczna przerwa energetyczna
• tłumienność

Parametry półprzewodników (4)

Parametry termiczne:
• współczynnik rozszerzalności cieplnej
• przewodność cieplna

Pomiar parametrów elektrycznych –
rezystywność, koncentracji
domieszek

Metoda sondy czteroostrzowej

Głowica pomiarowa jest wyposażona w cztery ostrza

ustawione wzdłuż jednej prostej w jednakowej
odległości od siebie. Przez zewnętrzne ostrza płynie
prąd I, a pomiędzy dwoma wewnętrznymi ostrzami
mierzony jest spadek napięcia. Rezystywność
warstwy oblicza się korzystają z wzoru:

d - grubość warstwy [m], K - współczynnik korekcyjny,

Współczynnik korekcyjny równy jest 4, 53 dla warstw, których
grubość jest 3 razy mniejsza od odległości miedzy ostrzami.

Pomiar parametrów elektrycznych –
rezystywność, napięcie przebicia

Metoda sondy trzyostrzowej

Podstawa pomiaru rezystywności metoda sondy

trzyostrzowej jest zależność napięcia przebicia
Up diody ostrzowej od rezystywności
półprzewodnika. Ostrze metalowe, stykając się z
powierzchnia warstwy, stanowi diodę ostrzowa.
Do ostrzy 1 i 3 doprowadza się napięcie
zewnętrzne polaryzujące zaporowo diodę
wytworzona z badanej warstwy i ostrza 3. W
pobliżu ostrza 3 wytwarza się obszar ładunku
przestrzennego. Napięcie przebicia mierzy się
miedzy ostrzami 2 i 3.

Pomiar parametrów elektrycznych –
rozkład koncentracji domieszek

Metody - CV, ECV

Do wyznaczania rozkładu koncentracji domieszek w

głąb warstwy epitaksjalnej wykorzystuje się
zależność pojemności złącza p-n od przyłożonego
wstecznego napięcia polaryzacji. Metoda polega
na wytworzeniu w badanej warstwie złącza p-n,
zmierzeniu jego charakterystyki pojemnościowo-
napięciowej, a następnie wyznaczeniu rozkładu
koncentracji domieszek w warstwie. W przypadku
pomiarów ECV złącze zbudowane jest z badanego
półprzewodnika i elektrolitu. ECV umożliwia
trawienie badanej próbki.

Pomiar parametrów elektrycznych –

typ przewodnictwa

Określanie typu przewodnictwa

Do próbki przykładamy gorącą i zimna

sondę. Mierząc napięcie pomiędzy sondami
możemy określić typ półprzewodnika. Jeżeli
na gorącej sondzie jest potencjał dodatni to
znaczy, ze półprzewodnik jest typu n. Jeśli
ujemny to typu p.

Pomiary parametrów elektrycznych
–
przerwa energetyczna

Wyznaczanie wartości przerwy energetycznej Eg

półprzewodnika jest metoda bezpośrednią. Minimalna
energia fotonu, która jest potrzebna do
międzypasmowego przeniesienia elektronu równa jest
wartości tej przerwy. Dla fotonów, których energia hv
jest mniejsza niż Eg współczynnik absorpcji jest równy
zeru, czyli dla nich półprzewodnik jest prawie
przezroczysty. Natomiast dla fotonów o energii hv > Eg
współczynnik absorpcji gwałtownie rośnie.

Pomiar parametrów elektrycznych –

koncentracja, ruchliwość nośników

Zjawisko Hall’a

polega na powstaniu poprzecznej różnicy

potencjałów na płytce półprzewodnika, przez którą przepływa prąd,
jeżeli jest ona umieszczona w polu magnetycznym prostopadłym do
kierunku przepływu prądu. Siła Lorentza działająca na poruszający
się elektron powoduje zakrzywienie torów elektronów w kierunku
jednej ze ścianek płytki półprzewodnika. W warunkach równowagi
poprzeczne pole elektryczne EH wywołane efektem Hall’a będzie
działało na elektrony siłą eEH równa co do wartości sile Lorentz’a,
przeciwstawiając się dalszemu odchylaniu elektronów.

Pomiar parametrów elektrycznych –

koncentracja, ruchliwość nośników
(2)

-siła Lorentza:
-stan równowagi:
lub:
-gęstość prądu:

j=nev

Koncentracja nośników:

Konduktywność:

Ruchliwość nośników:

Pomiary parametrów elektrycznych –
stała dielektryczna, przenikalność
magnetyczna

Spektroskopia impedancyjna

• metoda mostkowa
• rezonansowa
• U-I

Pomiary parametrów
elektrycznych

DLTS – spektroskopia

pojemnościowa

DLTS pozwala na wyznaczenie parametrów

poziomów defektowych:

-energia aktywacji głębokiego poziomu
-przekrój czynny na pułapkowanie
-szybkość termicznej emisji nośników
-szybkość wychwytu nośników

Pomiary parametrów
strukturalnych

Dyfrakcja rentgenowska XRD

Długość fali promieniowania X jest rzędu 1 A - zatem

dyfakcja może zachodzić na siatce krystalicznej.

Warunek Bragg’a:

λ = 2d sin

Możemy badać:
• rodzaj struktury krystalograficznej i wyznaczyć

stałą sieciową

• zidentyfikować obecne fazy krystalograficzne
• zmierzyć obecność defektów w krysztale.

Pomiary parametrów
strukturalnych

Elektronowy mikroskop

transmisyjny - TEM

Zastosowanie:

-analiza mikrostrukturalna
-analiza międzypowierzchniowa
-struktura krystaliczna
-lokalna analiza pierwiastkowa

Pomiary parametrów
strukturalnych

Metoda OBIC (LBIC)

Zogniskowana wiązka o określone długości skanuje

od punktu do punktu powierzchnie próbki
półprzewodnikowej powodując generacje par e-d.

Zastosowania:
-defekty (granice ziaren)
-kontakt w złączu p-n

Pomiary parametrów
strukturalnych

• Scanning electron microscope – skład,

topologia

• Reflection High Energy Electron Diffraction

– analizowanie wzrostu warstw podczas MBE

• LEED - struktura
• Auger electron spectroscopy – skład
• Secondary Ion Mass Spectroscopy –

struktura

• Spektroskopia odbiciowa, IR, Ramanowska -

skład

Pomiary parametrów optycznych

• Wyznaczanie współczynnika załamanie –

interferometr, światło odbite

• Charakterystyka spektralna, tłumienność –

absorpcja, transmisja

XPS – spektroskopia

fotoelektronowa

Pomiary parametrów
optycznych – charakterystyki
spektralne