电源技术网http://www.power-bbs.com电源论坛http://www.dianyuanbbs.com 1)将探针头压触在抛光样品(压力保持20牛顿左右)并在硅片留下针尖痕迹。使样 品在垂直探针连线的方向上进行平移,将探针重复压5次。 2)用测距显微镜测痕迹点的距离。 3)求S及△S,求出针头游移度。 4)将S代入式(1-22)求得探针系数。 探针间距S的测量及计算方法如下14: 探针间的痕迹在显微镜下呈如图(1-28),所示的样子,可以分别测出A、B、C、D E、F、G、H坐标,然后计算探针间sS2、S3 源合(A1+B1)-=c,+D) S,=(cr+D,)-(E,+F,) (1-50 sn=(E+F)-(G+H1) 式中的∫为测量次数,一般进行10次测量即可,所以j值是从1到10。 针距平均值为 S (1-51) Sst 偏差值平均 △5,=∑Ks-S) △S2= 102>r 1-52) 下面计算探针游移度对电阻率测量误差的影响。电阻率与探针系数的关系中 2 (1-53) S1、S2、S3用探针坐标x1、x2、x,、z4代入,两边求徽商,并设四根探针的线位移量 为△x1,△x2,△xs,△x4则可以得到16 (3△x1-5△x2+54x3-3△xa) (1-54) 其中已假设S:=S2=S3=S。因此如果在每一次电阻率测量时测定了Δx;,那么可以利 用式(1-54)来作必要的修正。 当探针的游移是随意无规则并且相互独立时,如果探针游移的标准偏差为σ,那么电 http://www.dianyuanbbs.com PDF文件使用pdffactoryPro赚本创建www.fineprint,com.cn
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电源技术网http://www.power-bbs.com电源论坛http://www.dianyuanbbs.com 阻率的标准偏差为 4s)(32+5)2(,)2=200 (1-55) 对于两探针测量,电阻率标准偏差为 (1-56) 由此可见,两探针要比四探针更精确 在薄片电阻率测量中,式(124)适用于等间距的情况。只要四探针的探针间距相 等,S的大小并不影响读数。但是当探针间距不相等时,则需要引入一个探针间距的校正 因子〔4,14): =Fs减量 (1-57) (S,+S:)(S:+S3) (1-58) SIS3 当探针间距变化不大时 Fs=1+1.08 S (1-59) 式中的S为探针间距的平均值。此时薄片的电阻率可以表示为 如果探针的位移是随意而且是独立时,并且所有探针间距相等并等于名义值S,则 Fs的相对标准偏差为 UPs=(v5 as)(S In4) (1-61) S的标准偏差由下式给出 (S;-S)2 饰正方形四探针中,可以进行两次测量求出平均值来消除探针位移的一级误差,这两 量要选用不同的电流探针对,其中一根探针是两次测量的公共电流探针。 为了检验游移度对电阻率测量的影响,可以重复测量同一点的电阻率(即不移动样品, 保持样品与探针相对位置不变)并采用相同的电流,观察电阻率测量结果变化情况,就可 知道探针游移的影响。由此可以得出结论:探针游移度只有在小于2%的情况下,测量重复 性和正确性才较好,因此游移度是检验探针质量重要指标之 4.检验测量电流I的影响和求最佳电流 在测量过程中,通过样品的电流Ⅰ从两方面影响电阻率:1)少子注入并被电场扫到 2、3内探针附近使电阻率减小;2)当电流较大时使样品发热,提高样品测量区的温 度。一般杂质半导体,当温度升高(在室温附近)时,载流子的晶格散射作用加强,引起 电阻率升高 少子注入的影响取决于电流Ⅰ、探针间距S及少子寿命等。电流大,针距小,寿命长 影响就大,为此在测量电阻率时应注意下列各点: http://www.dianyuanbbs.com PDF文件使用pdffactoryPro赚本创建www.fineprint,com.cn
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电源技术网http://www.power-bbs.com电源论坛http://www.dianyuant 1)被测样品的表面应当经过粗磨(最好喷砂)增加表面复合以减小少子寿命 2)应适当选取容易得到欧姆接触的材料作为探针,并给予一定的接触压力,一般取 20顿为宜,以减小少子注入的影响。目前国内一般使用钨丝、碳化钨、高速钢丝(高速 钢钻头的半成品)。钨丝不耐磨,使用时间短;碳化钨与硅的接触电阻很大,而且比较脆, 容易断裂。 应当话当加大探针间距,但又要保证在测量区电均匀,探针间距一般选 取为1~2毫米。 4)应当适当降低测量电流,以保师测量在弱电场下进行,对硅单晶一般选取电场E 少于1伏厘米。若2、3探针间距为1毫米,就应该使2、3探针间的电位差vx不超过 100毫伏。样品中电场通强y则少子的牵引长度很长,使样品的电导率增大。 少子注入一般对高电样品影响较大,因为高阻样品本身的多子浓度低,少子寿命长, 少子的牵引长度就更长一些 般情况下,硅电阻率在几个欧姆·風米以上时,少子注入和被电场扫过是引起样品 电阻率下降的主要原因。对低阻硅单晶来说,为了得到一定大小的V23往往要求测量电流 大一些,在这种情况下,误差主要由焦耳热引起 少子注入对测量电阻率的影响是可以检验出来的:取一高阻样品,根据电流选取的原 则,调节一个适当的低电流,测出样品的电阻率,然后再略增大电流,测出样品的电阻 率。如果两次测量的结果变化很小,那么说明少子注入影响很小,电流的选取是合理的 如果样品的电阻率明显地随所选取的电流增大而减小,则说明少子注入影响就较大,这时 应将通过样品的电流减小下来。 焦耳热对低阻样品电阻率的影响也是可以检验的:在较大电流下测量一低阻样品,记 录测量读数随通电时间的变化。若发现电阻率随时间增加而增大,则说明电阻率的升高是 由于样品发热引起的。 综上所述可知,为了避免电流通过样品时产生焦耳热和少子注入的影响,应适当减小 测量电流。对不同电阻率范围的硅单晶,测量电流范围可按表1-3进行选取(14 表1-3测量电流范围的选取 样品电阻率范囤:欧姆·膩米 通过样品电流值 <10 30~1000 <10微安 5.测探针漏电阻、检验漏电流及电压表输入阻抗对测量结果的影响 在直流四探针法中,要求测2、3内探针间的电位差的电压表有很高的输入阻抗。其 原因是:如前所述,当金属和半导体接触时产生接触电阻,如果不用2、3探针,而直接 在通过电流的1、4探针上测电压,则测得的电压就是电流在样品上的电压降和接触电阻 上的电压降之和。例如对硅,一般接触电阻约为样品电阻的一千倍,这样所测得的电压就 不能真正代表样品上的电阻,所以需引入不通过电流的2、3探针来测量样品上的电压 http://www.dianyuanbbs,com PDF文件使用pdffactoryPro赚本创建www.fineprint,com.cn
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电源技术网http://www.power-bbs.com电源论坛http://www.dianyuanbbs.com 降。虽然引入的2、3探针与半导体接触时也同样产生接触电阻,但由于不通过电流故无 压降。这样就消除了接触电阻的影响。由于要求2、3探针上尽可能通过小的电流,所以 就要求测量电压表有很高的输入阻抗。由电路分析可知,电压表的输入阻抗应大于样品电 阻的105倍,漏电流引入误差可小于百分之一。一般要求电压表的输入阻抗为103~10°欧 姆数量级。 用电位差计测量2、3探针间的电压降时N外电路上利用一个与vx湘等的电压来平 衡它,这样可以保证2、3探针死电流流过,即不存在接触电阻上的电压降。这样便提高 了测量的正确性。 通常可用数字包压表、直流微伏计、电位差计来测量直流电压。这些测量仪表有较高 的输入阻抗,能满足测量要求。 针头的漏电阻与电压表的等效电阻的作用是一样的,都起分流作用,使流过样品的实 际电流减小,电阻率测量值偏低。可以用兆欧表(摇表)来检验漏电阻。漏电阻一般应大 于500兆欧。 6.样品测量表面的处理 前面已谈到电阻率与测量面的制备情况有关。为了增大表面复合,降低少子寿命,从 而减小少子注入影响,测量表面应经过粗砂研廝或喷砂处理。实验表明,经过喷砂处理的 样品的测量重复性较好,尤其对高阻单晶,效果更佳。 7.其它注意事项 半导体材料中一般都会出现热电效应,例如测试室恒温条件差或样品电流过大,造成 样品上出现温度梯度,从而引起温差电势,此时可以改用交流电或减小测量电流来减小这 种效应。 另外,样品上的光照可引起光生电动势,样品室电磁屏蔽不好,会交流千扰产生杂散 电流,这些都能引起测量误差。为此,在测量样品电阻率时应注意光屏蔽和电磁屏蔽。读 数应取两次相反方向电流所测得的电阻率值的平均值 总起来说,电阻率测量的关键是测准条件问题。对高阻样品的测准条件要求更严格一 些,因为髙阻样品测量结果的稳定性和重复性差,在这方面应通过实践进一步摸索,并掌 握其规律。 第三节非平衡少数载流子寿命的测量 概述 半导体的非平衡载流子寿命v是与半导体中重金属含量、晶体结构完整性直接有关的 物理量,它是表征单晶质量的重要参数之一。例如半导体中的重金属杂质都是深能级杂 质,这些杂质往往有两种不同的带电状态。这就使得它们无论对电子、或对空穴都有一定 的俘获能力,并起到复合中心的作用。这些复合中心一般指深能级杂质而言,下面用T表 示复合中心,可以将复合过程表示如下: T+e→)T, T-+p→> 或者有 T+e-T,T+p→>T 当半导体中依靠光激发或电注入、离子注入的办法产生非平衡载流子时,依靠上述复合过 http://www.dianyuanbbs.com PDF文件使用pdffactoryPro赚本创建www.fineprint,com.cn
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电源技术网http://www.power-bbs.com电源论坛http://www.dianyuanbbs.com 程使非平衡载浇子复合。重金属杂质等复合中心越多,非平衡载流子复合衰减速率越快, 其寿命则越短。 非平衡少数载流子寿命还与晶体中的位错密度有很大关系。例如在不同电阻率的锗或 硅单晶中,非平衡少数载流子寿命(以下简称少子寿命)与位错密度的关系如图1-29所 -bbs. com 姆厘米n-G L506 位错密度,厘米一2 图 锗、硅单品的少子寿命与位错密度的关系 由图可以看出,当位错密度小于103厘米2(如一般的无位错单品)时,少子寿命比较低 而且随着位错密度增加,少子寿命值提高。当位铁密度增加到103~104厘米时,少子寿 命值出现一个高峰达到最大值。位错密度进一步增加到大于104厘米2,则少子寿命又显 著的降低。晶体中的位错(例如刃型位错)线上出现一系列的悬挂键,可以作为复合中 心,并且在半导体的禁带中有一定的能级。因此高位错密度的晶体其少子寿命很低。但是 位错密度降低到103厘米ˉ以下时,晶体中存在浓度较高的点缺陷络合体,它同样可以起 到复合中心的作用,从而使少子寿命降低。随着位错密度增加到103~10·厘米ˉ时,晶体 中的点敏陷络合体浓度降低,它对非平衡载流子的复合作用减弱,并且位错密度不过分高 时,位错对少子寿命的影响没有显示出很大作用,此时少子寿命达到了高峰值。 硅单晶的少子寿命还与其中氧含量及共状态有关。大家知道,氧在硅中的状态与硅单 晶的热处理有很大关系。硅单晶经过450℃温度热处理,硅中氧便聚集成SiO:络合体,这 种络合体称为热生施主。这种络合体对重金属杂质有屏蔽作用,使亡对非平衡载流子的复 合作用减弱。例如p型硅经热处理后少子寿命增加,在450℃范围出现一个峰值。热处理 温度超过5500,少子寿命激剧下降。一般来说,直拉单晶 OUT p-s 中有较高的氧含量。又单晶生长时在350~550C范围自然炉 0欧鸯米 内冷却过程中可以生成SiO绪合体,从而使少子寿命虚假地 增加。此外,经高温热处理的硅单最往往有金属杂质沾污 可以引起少子寿命大幅度下降。 少子寿命测量方法的一般介绍 目前常用来测量非平衡少数载流子寿命的方法,一般可 分为两大类。第一类为瞬态法或称直接法。这类方法利用脉 冲电或闪光在半导体中激发出非平衡载流子,来调制半导体 60 的体电阻,通过测量体电阻或两端电压的变化规律直接观察 热处理温度,℃ 半导体材料中非平衡载流子的衰减过程,从而测定了它的寿 图1-30硅单品的少子寿命与命。这类方法包括双脉冲法和光电导衰退法。第二类为稳态 热处理混度的关系 法或称间接法。这类方法是利用稳定光照的办法,使半导体 中非平衡少子的分布达到稳定状态,然后测量半导体中某些与寿命值有关的物理参数从而 http://www.dianyuanbbs.com PDF文件使用pdffactoryPro赚本创建www.fineprint,com.cn
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