1.7. Метод Ван-дер-Пау

В ряді випадків ПЕО пластин і інших плоскопаралельных зразків довільної форми необхідно виміряти, не порушуючи їх цілісності.

Для цієї мети в 1958 р. Ван-дер-Пау запропонував і обгрунтував видозмінений чотиризондовий метод, схема якого представлена на рис. 1.6.

Суть методу полягає в тому, що пластину затискають між чотирма контактними щупами ножевидної форми так, що лінія контакту розташовується по її утворюючій перпендикулярно поверхні. Ці контакти ізольовані один від одного, і сила їх притиску до зразка регулюється індивідуально.

Проста схема комутації дозволяє виміряти напругу між однією парою щупів, пропускаючи струм через іншу пару. Таким чином, визначають якісь ефективні величини, що мають фізичний сенс і розмірність опору, наприклад:

(1.26)

Легко виконати умову: I12 = I14 = I.

Усереднене в об'ємі всієї пластини значення ПЕО розраховується по формулі:

(1.27)

де f (R12/R14) деяка теоретично обчислена коректуюча функція, значення якої міняються від 1,0 до 0,2 при відповідній зміні аргументу від 0 до 110³. Значення відношення R12/R14, що перевищують 1103, свідчать про сильну неоднорідність або анізотропію зразків, які вже некоректно характеризувати усередненим значенням ПЕО. До аналогічних результатів може привести і різко виражена відмінність геометричних розмірів у різних напрямах (тобто неправильність геометричної форми).

Тому метод Ван-дер-Пау застосовують, якщо відношення R₁₂/R₁₄ не перевищує 1,5, що гарантує похибку визначення ПЕО в межах 2-5 %.

1, 2, 3, 4 – Ножевидні контакти; 5 – досліджуваний зразок; d – товщина зразка.

Рис. 1.6. Схема методу Ван-дер-Пау

Метод Ван-дер-Пау використовують також для вимірювань ефекту Холу плоскопаралельних зразків довільної форми. Цей метод (особливо в його автоматизованих варіантах) достатньо широко застосовується для прискореної розбраковування пластин (підкладок для епітаксіального нарощування) по ПЕО і концентрації.

1.8.Властивості і параметри омічних контактів до напівпровідників

В абсолютній більшості випадків при вимірюваннях параметрів напівпровідникових матеріалів необхідні омічні (лінійні) контакти.

О мічним (лінійним) контактом називають контакт типу метал-

а – лінійна, симетрична ВАХ; би – нелінійна, несиметрична ВАХ; в – нелінійна, симетрична ВАХ.

Рис. 1.7. Типові ВАХ контакту метал-напівпровідник

напівпровідник, опір якого не залежить від прикладеної напруги. Цей контакт, за визначенням, характеризується лінійною ВАХ, тобто повинен мати місце закон Ома. Теорія звичайно висуває вимогу, щоб цей контакт був

точковим. Але в точковому контакті виникає контактна різниця потенціалів, і він є, у принципі, нелінійним, випрямляючим.

Таким чином, вимога точковсті контактів (і пов'язана з цією вимогою тенденція до поліпшення розподільчої здатності і локальності зондових методів) в загальному випадку вступають в суперечність. Вирішення цієї суперечності – одна з основних задач практичної метрології напівпровідників.

Омічні контакти повинні мати наступні основні параметри:

1. Вони повинні бути невипрямляючими, тобто опір контакту не повинен залежати від напряму і сили струму.

Типові види ВАХ контакту представлені на рис. 1.7. Реальний омічний перехід оцінюється коефіцієнтом випрямляння Кв, тобто відношенням прямого струму до зворотного при рівних значеннях прикладеного прямої і зворотної напруг. Ідеальний омічний перехід повинен мати Кв =1 (випадок а). У разі випрямляння Кв >> 1 (випадок би). Але для випадку в Кв  1. Тоді вводиться коефіцієнт нелінійності Кн, тобто відношення статичного опору до диференціального при заданому значенні постійної складової струму через перехід. Ідеальний омічний перехід повинен мати Кн = 1. Отже, треба прагнути того, щоб Кв і Кн були близькі до одиниці.

2. Опір омічного переходу повинен бути малим в порівнянні з повним опором зразка, що виміряється.

Іноді вводять поняття питомого опору контакту, виходячи з таких міркувань:

(1.28)

де j = I / S.

Величина _до має розмірність [Омсм2].

(1.29)

де S – площа контакту.

Чим більше S, тим повинне бути менше Rк. Якщо має місце зворотна залежність, значить, контакт випрямляє.

3. Бажано, щоб швидкість рекомбінації носіїв заряду на омічному переході була максимальною.

Явища інжекції, екстракції, ексклюзії , накопичення зарядів і інше. можуть навіть у разі омічності контактів спотворювати внутрішнє електричне поле в зразку і, таким чином, впливати на правильність вимірювань. Тому вимагається, щоб контакт був не тільки омічним, але і неінжектуючим..

4. Контакт повинен бути механічно міцним, надійним і стабільним в часі.

5. Шуми в контакті навіть при високій густині струму, що протікає через нього, повинні бути малими.

Отже, узагальнено: контакт повинен бути лінійним, неінжектуючим , не шуміти, бути стабільним і мати мінімально можливий електричний опір.

За способом фіксації контактів на зразку вони діляться на притискні і стаціонарні.

Притискні контакти бувають дискретні і ковзаючі (безперервні). Для притискних контактів використовують добре пружинячі і тверді метали або сплави: Wo, сплав ВК6 (Wо + 6%Со) і ін. Стаціонарні контакти відрізняються

методом їх виготовлення і підрозділяються на: формовані, вплавні, напилені, електролітичні, хімічно осаджені, термокомпресійні.

Формований контакт відрізняється від притискного тим, що до нього прикладається імпульс струму, який викликає пробій приконтактній області, що знижує її опір і знижуючий механічну стійкість контакту. Більш сильний імпульс може привести до зварки контакту з напівпровідником.

Недоліки формованих і сплавних контактів: відносно невисока механічна міцність і необоротні зміни структури зразка в приконтактній області.

Вплавні і паяні контакти є найнадійнішими і високоякісними. Для вплавлення і паяння застосовують різні сплави на основі олова. Електродні сплави повинні мати домішки донорів для кристалів n-типа і акцепторів – для кристалів р-типа.

Напилені контакти більше використовують для тих напівпровідників, до яких важко напаяти або вплавити контакти, як, наприклад, SiC, A₃B₅, Se, CdS, Cu₂O₃ і т.д. Напилення часто носить допоміжний характер і передує вплавленню або паянню. Звичайно напилення проводять в доброму вакуумі (10-5.10-7 мм рт. ст.) на гарячу підкладку.

Електролітичне осадження застосовують тоді, коли через низький опір зразків просте напилення не дає шарів з доброю адгезією. В цьому випадку напівпровідник служить катодом, а осаджений метал – анодом. Частіше за все наносять Ni, Cu, Pd, Zn, Sn, Ro. Проте, ці контакти володіють великими шумами і погано працюють при екстремально високих і низьких температурах.

Хімічне осадження застосовують звичайно до високоомних зразків, коли напилення і електролітичне осадження не дозволяє отримати суцільну і стійку плівку. Частіше за все використовують метод висадження (або цементації) з водних розчинів хлоридів облягаючих металів (наприклад, PdCl₂)_.

Після осадження хлориду його закріплюють іншим розчином, поновлюючим осад до металу.

Термокомпресія. При термокомпресії тонкий металевий провідник (звичайно, це Al, Au, Ag,) притискається під великим тиском до нагрітої поверхні зразка. Заздалегідь на поверхню проводиться напилення. Перевага цього методу – можливість отримання контактів малої площі і экспрессність.

Якість контактів перевіряють за допомогою характеріографів,які дозволяють оцінювати величину перехідного опору і спостерігати вигляд ВАХ на екрані осцилографа.

Треба мати на увазі, що в реальному контакті завжди між напівпровідником і самим контактом існує перехідній рекристалізованний шар, значно збагачений домішками. Крім того, треба брати до уваги механічні і структурні властивості реальних контактів.

Будь-який контакт ( у тому числі і притискний) можна зробити омічним і неіжектуючим, якщо виготовити його у вигляді масивного тіла з великою площею перетину. Але цей рецепт годиться тільки для струмових контактів. Потенційні контакти при цьому програють в розподільчій здатності, та і точність методу (розрахованого для точкових контактів) знижується.