- •Частина 2.Фізичні основи метрології напівпровідників Методи вимірювання питомого електричного опору напівпровідникових матеріалів і структур
- •1.Питомий електричний опір як фундаментальна характеристика напівпровідника
- •1.1Методи визначення типу електропровідності напівпровідників
- •Загальна характеристика зондових методів вимірювання питомого електричного опору
- •1.2.Двозондовий метод
- •1.3.Чотиризондовий метод
- •1.5Метод опору розтікання
- •1.6.Однозондовий метод
- •1.7. Метод Ван-дер-Пау
- •1, 2, 3, 4 – Ножевидні контакти; 5 – досліджуваний зразок; d – товщина зразка.
- •1.8.Властивості і параметри омічних контактів до напівпровідників
- •1.9.Чинники, що визначають точність вимірювань питомого електричного опору зондовими методами
- •1.10.Неруйнуючі методи контролю питомого електричного опору н-п
- •1.11.Апаратура для вимірювання питомого електричного опору напівпровідників
- •2.Методи вимірювання часу життя, нерівноважних носіїв заряду
- •2.1.Час життя нерівноважних носіїв заряду як найважливіший
- •2.2.Стаціонарні методи вимірювання часу життя нерівноважних носіїв заряду
- •2.3.Фотоелектричний метод визначення довжини дифузії
- •2.4.Метод вимірювання дифузійної довжини по іч-поглощенію на вільних носіях заряду
- •2.5.Метод фотогальваномагнітного ефекту
- •2.6.Метод модуляції стаціонарної фотопровідності.
- •2.8.Нестаціонарні методи вимірювання часу життя нерівноважних
- •2.9.Метод модуляції провідності в точковому контакті.
- •2.11.Вимірювання часу життя в електронно-дірчастому переході
- •2.12.Апаратура для вимірювання часу життя нерівноважних носіїв заряду.
- •3.Методи визначення концентрації домішок в напівпровідниках
- •3.1. Загальні відомості про концентрацію домішок і методи її визначення
- •3.2. Визначення концентрації домішок з вимірювань електропровідності
- •3.3. Визначення концентрації і рухливості носіїв заряду з вимірювань ефекту Холу
- •3.4. Основні джерела погрішності при вимірюваннях ефекту Холу
- •3.5. Методи визначення ступеню компенсації домішок в напівпровідниках
- •Метод Буша-Вінклера.
- •Метод Адіровіча
- •Метод Лонга
- •Метод Самойловіча-Баранського
- •3.6. Методи визначення концентрації електрично пасивних домішок в напівпровідниках
- •Оптичний метод визначення концентрації кисню і вуглецю в кремнії і германії.
- •Традиційні методи контролю газових домішок в твердих тілах.
- •Спеціальні електрофізичні методи визначення змісту кисню в напівпровідниках.
- •4 Основи метрології неоднорідних провідників
- •4.1. Вимірювання питомого опору неоднорідних провідників
- •4.2.Вимірювання ефекту Холу в неоднорідних напівпровідниках.
- •4.3.Об'ємно-градієнтні ефекти в напівпровідниках
- •4.4.Критерії однорідності напівпровідникових матеріалів
- •5. Особливості метрології напівпровідникових плівок і структур
- •5.1. Загальна характеристика метрологічних проблем технології напівпровідникових плівок і структур
- •5.2. Вимірювання питомого електричного опору плівок зондовими методами
- •Чотиризондовий метод
- •Тризондовий метод
- •Пятизондовий метод
- •5.3. Вимірювання товщини епітаксіальних плівок
- •Метод фарбування шліфа (сколу)
- •Інтерференційний метод
- •5.4. Методи дослідження дефектів структури епітаксіальних плівок
- •Література
Загальна характеристика зондових методів вимірювання питомого електричного опору
Вимірювання ПЕО напівпровідників здійснюється переважно контактними або зондовими методами.
Сущність зондових методів вимірювання ПЕО полягає в тому, що через досліджуваний зразок за допомогою однієї системи контактів (т.з. струмових) пропускають електричний струм, а за допомогою іншої системи спеціальних контактів (потенційні зонди) виміряють падіння напруги на певних ділянках зразка, значення якого з урахуванням геометрії і розмірів зразка, а також міжзондових відстаней використовують для обчислення ПЕО. Якщо позначити силу струму I, падіння напруга -, а геометричний чинник – G, то загальний вираз для ПЕО, зміряного будь-яким зондовим методом, можна представити у вигляді :
G (1.6).
Звичайно за рідким виключенням струмові контакти є омічними (невипрямляючими і неінжектуючими), що досягається або за рахунок їх великої площі зіткнення із зразком, або шляхом застосування спеціальних методів їх приготування.
Одна з основних властивостей напівпровідників полягає в тому, що існує приконтактний опір зонда (Rk) обумовлений випрямлянням в контакті і який істотно перевищує опір самого зразка (Rзр).
В цій ситуації вимірювання величини безпосередньо за допомогою вольтметра як правило є некоректним, оскільки воно залежить не стільки від Rзр, скільки від Rk
В метрології напівпровідників для виключення впливу приконтактних опорів користуються двома основними методами. При вимірюваннях малих напруг і струмів застосовують класичний компенсаційний метод. В цьому випадку напруга між зондами компенсується зустрічною, рівною по величині, але протилежною по полярності, напругою від спеціального багатодекадного потенціометра, що живиться від зразкового елемента. Момент компенсації визначається протіканням ''нульового'' струму через гальванометр. Оскільки у момент вимірювань струм через гальванометр рівний нулю, вплив перехідних контактних опорів виключається.
Останнім часом при вимірюваннях малих ЕРС все більше і більше застосовують прямі методи, засновані на застосуванні реєструючих і вимірювальних приладів з високими значеннями вхідного опору (Rвх). Якщо виконується умова Rвх>>Rк, то через такий прилад тече дуже малий струм, і результат вимірювань не спотворений наявністю контактних опорів.
Залежно від кількості і взаєморозташування зондів, геометричних і інших чинників зондові методи існують в різних модифікаціях і відрізняються один від одного функціонально.
1.2.Двозондовий метод
Двозондовий метод призначений для вимірювання ПЕО зразків правильної геометричної форми. Він є прямою ілюстрацією закону Ома для ділянки
електричного ланцюга. Схема вимірювань ПЕО двозондовим методом показана на рис. 1.2.
Величина ПЕО визначається по формулі :
(1.7).
Як видно з порівнянь 1.7 з 1.6, геометричний чинник в даному випадку рівний:
G= (1.8).
В метрології напівпровідників величина ПЕО має розмірність [Омсм], а величини, що входять у формулу 1.7: [В]; S [cм2]; I [A]; L [см].
Вимірювання можна виконувати як на постійному, так і на змінному струмі.
Струмові контакти є омічними або за рахунок їх великої площі, або за рахунок спеціальної металізації.
Двозондовий метод відрізняється наступними принциповими особливостями:
Дає значення ПЕО, усереднене по перетину зразка S на довжині L, тобто в міжзондовому об'ємі SL.
Помилка методу зв'язана, головним чином, з неправильністю геометричної форми і розбіжністю зондів.
Ц і особливості визначають область використовування двохзондового методу в промисловості. Як правило, він застосовується для вимірювань великих монокристалічних або полікристалічних злитків шляхом безперервного або дискретного переміщення зондів з точки в точку по бічній поверхні злитку,для чого шліфується спеціальна доріжка . Підставою для застосування двохзондового методу є близькість цих злитків за формою до циліндрових тіл обертання. Оскільки однією з основних задач при вирощуванні монокристалів є виділення з них так званої ''марочної'' частини з мінімальною кількістю відрізувань, усереднююча властивість двозондового методу дає йому в цьому плані значні переваги в порівнянні з іншими методами (наприклад,
1 – перший потенційний зонд; 2 – другий потенційний зонд; 3 – досліджуваний зразок; L – міжзондова відстань; S – площа поперечного перетину.
Рис. 1.2. Схема двозондового методу
чотиризондовим, який виміряє ПЕО тільки в безпосередній близькості до поверхні ).
Двухзондовий метод в метрології об'ємних кристалів розглядається як ''разміточний'' і достатньо грубий, оскільки в реальних умовах через невизначеність геометрії і розбіжності зондів погрішність його досягає 5-10 0/0.
При зближенні зондів, тобто при спробі зменшити L і тим самим поліпшити локальність (роздільну здатність) методу, виникають обмеження, зв'язані з тим, що розбіжність зондів не залежить від міжзодової відстані (L=const),а відносна погрішність ( ) при цьому стрімко зростає.
У ряді випадків для здійснення двозондових вимірювань необхідно виготовляти спеціальні зразки правильної форми або шліфувати широку і протяжну вимірювальну доріжку, що дає підстави у принципі кваліфікувати його як руйнуючий.