半导体材料测试与分析资料讲解
半导体材料检测种类、项目与方法总结
半导体材料检测种类、项目与方法总结半导体材料检测是对半导体材料的特性参数进行分析测试的技术，具体涉及到哪些材料的检测，目前常见的检测技术有哪些？我们不妨一起来看看。
半导体材料检测是对半导体材料的特性参数进行分析测试的技术，由于半导体材料种类繁多，加工工艺复杂，形态各异，技术难度高，这就需要我们通过对半导体材料的特性参数进行测定，真实的反映半导体材料质量情况，掌握其关键参数的生成工艺，从而指导研发技术的更新迭代。
常见半导体材料检测种类
1、湿电子化学品检测种类
（1）酸碱类：高纯盐酸、高纯硫酸、高纯硝酸、高纯氢氟酸、高纯冰Z酸、高纯草酸、电子级复水、电子级过氧化氢、氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液、电子级磷酸；
（2）蚀刻类：铝腐蚀液、铬鹰蚀液、镍银腐蚀液、硅腐蚀液、金蚀刻液、铜蚀刻液、显影液、剥离液、清洗液、ITO蚀刻液、缓释剂、BOE；
（3）溶剂类：甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、四甲基氢氧化铵、甲苯、二甲苯、三氯乙烯、环已烷、N-甲基吡略烷酮、丙二醇单甲醚、丙二醇单甲醚醋酸酯等。
2、光刻胶及配套试剂检测种类
光刻胶、负胶显影液、负胶漂洗液、负胶显影漂洗液、正胶显影液正胶稀释剂、边胶清洗剂、负胶剥离液、正胶剥离液等。
3、电池材料检测种类
（1）负极材料：碳材料、非碳负极材料、石里负极材料、锂电池负极材料、硅负极材料、锂离子负极材料、硅碳负极材料、碳素负极材料、沥青负极材料等；
（2）正极材料：钻酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料、镍，钻，锰酸锂、镍锰酸锂、正极材料镍钻锰酸锂等；
（3）电解液：锂离子电池用电解液、锂原电池用电解液、六氟磷酸锂、六氟磷酸锂电解液等；
（4）电池/电解液添加剂：成膜添加剂、导电添加剂、阻燃添加剂、过充保护添加剂、改善低温性能的添加剂、多功能添加剂等；。
半导体材料测试与分析ppt课件
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光致发光光谱PL
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主要内容：
• 光致发光基本原理 • 仪器及测试 • 应用
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一、光致发光的基本原理
• 1. 定义：光致发光(Photoluminescence) 指的是以光作为激励手段，激发材料中的 电子从而实现发光的过程。它是光生额外 载流子对的复合过程中伴随发生的现象。
• 光致发光光谱的测试以其简单、可靠 ，测试过程中对样品无损伤等优点而 得到广泛的应用。
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PL可以应用于：
（1）带隙检测、（2）缺陷检测、（3）复合机 制以及材料品质鉴定、（4）对少子寿命的研究、（ 5）测定半导体固溶体的组分、（6）测定半导体中 浅杂质的浓度、（7）半导体中杂质补偿度的测定、 （8）对半导体理论问题的研究等。
应用领域举例：
LED外延片，太阳能电池材料，半导体晶 片，半导体薄膜材料等检测与研究。
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在IIK温度下,用很弱的激光激发GaN所测量 光致发光的光谱图示如。通过高斯型分峰拟 合得到A、B、C、D四个谱峰。
用MOCVD技术在Al2O3衬底上外延GaN的光致发光研究 中国科学院长春物理研究所 高瑛、缪可国编辑庆课等件人PPT
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不同温度下GaN的光致发光
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• 随温度升高,晶 格振动增强光 谱的半峰宽度 明显地增大， 峰值波长向长 波方向移动。 光谱中的肩峰 逐渐消失。形 成一宽的谱带
• 进而通过拟合 可以得到温度 和半峰宽之和 的关系
实验讲义-半导体材料吸收光谱测试分析2015
半导体材料吸收光谱测试分析一、实验目的1.掌握半导体材料的能带结构与特点、半导体材料禁带宽度的测量原理与方法。
2.掌握紫外可见分光光度计的构造、使用方法和光吸收定律。
二、实验仪器及材料紫外可见分光光度计及其消耗品如氘灯、钨灯，玻璃基ZnO薄膜。
三、实验原理1.紫外可见分光光度计的构造、光吸收定律(1)仪器构造：光源、单色器、吸收池、检测器、显示记录系统。
a．光源：钨灯或卤钨灯——可见光源，350~1000nm；氢灯或氘灯——紫外光源，200~360nm。
b．单色器：包括狭缝、准直镜、色散元件色散元件：棱镜——对不同波长的光折射率不同分出光波长不等距；光栅——衍射和干涉分出光波长等距。
c．吸收池：玻璃——能吸收UV光，仅适用于可见光区；石英——不能吸收紫外光，适用于紫外和可见光区。
要求：匹配性（对光的吸收和反射应一致）d．检测器：将光信号转变为电信号的装置。
如：光电池、光电管（红敏和蓝敏）、光电倍增管、二极管阵列检测器。
紫外可见分光光度计的工作流程如下：0.575光源单色器吸收池检测器显示双光束紫外可见分光光度计则为：双光束紫外可见分光光度计的光路图如下：(2)光吸收定律单色光垂直入射到半导体表面时，进入到半导体内的光强遵照吸收定律：xxeII⋅-=αdteII⋅-=α0(1)I0：入射光强；I x：透过厚度x的光强；I t：透过膜薄的光强；α：材料吸收系数，与材料、入射光波长等因素有关。
透射率T为：deIIT⋅-==αt(2)则deT d⋅==⋅ααln)/1ln(透射光I t即半导体薄膜对不同波长λi 单色光的吸收系数为：dT i i )/1ln(=α (3)2.吸收光谱、半导体材料的能带结构和半导体材料禁带宽度的测量 (1) 吸收光谱以不同波长λi 单色光入射半导体ZnO 薄膜（膜厚d 为593 nm ），测量透射率T i ，由式(3)计算吸收系数αi ；由i i hc h E λν/== 计算光子能量E i ，其中，ν是频率，c 是光速(c =3.0×1017nm/s)，λi 是波长(nm)，h 是普朗克常数= 4.136×10－15s eV ⋅。
半导体测试与分析-PPT精选文档
二探针法
用两根探针借助于电位差计量取 样品表面某两点(实际上是某两 个等位面)间的电位差U，并量出 流经样品的电流值I，即可算出 该两个等位面间的长方体的电阻 值R。精确量出探针间距L及样 品截面积S， 则样品的电阻率为
两个改进措施
1. 补偿法来测量电压，以避免探针与半导体之间 高阻接触对测量结果的影响 2. 两个端电极与被测半导体之间为欧姆接触，因 而避免了少数载流子的注入
半导体电阻率的测量与导体的电阻率测量是有区 别的
1、在金属与半导体接触的界面附近也要产生一个耗尽层。因为金属 的电子密度极高，因而这个耗尽层展宽在半导体一边。耗尽层中只有 不能自由运动的电离杂质，它们不能参与导电，因而这是一个高阻层。 同时，任何两种材料的小面积接触都会在接触处产生扩展电阻。尤其 是对金属—半导体点接触，这个扩展电阻会很大，人们常常把这两个 因接触而产生的高电阻统称为接触电阻。因此，当用欧姆表来测量半 导体时，这个巨大的接触电阻就会使结果面目全非，毫不可信。
2、功函数不同的两种金属制品在接触时也要因接触电势差而在界面
上出现一个电荷偶层，但这个空间电荷层极薄，每边只有约一个原于 层厚，远小于电子的扩散长度，因而对载流子没有阻挡作用。同时， 金属与金属的小面积接触的扩展电阻也很小。因此，上述方法对测量 金属导体的电阻率是精确的。
3、由非平衡载流子的电注入效应可以想到，如果被测半 导体是n型，那么测量电流将通过正电极向半导体注入空 穴；若被测半导体是P型则会从负电极向半导体注入电子。 这些注入的少数载流子在外电场的驱使下向另一电极漂移， 参与导电。在注入电极附近的某一范围内，载流子密度因 此而高于载流子的热平衡密度，因而测量结果不能反映材 料电阻率的真正大小。对于热平衡载流子密度较低的高阻 材料，其接触电阻更大，少子注入的影响也更加严重。
半导体测试与表征技术基础[详细讲解]
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半导体测试与表征技术基础第一章概述（编写人陆晓东）第一节半导体测试与表征技术概述主要包括：发展历史、现状和在半导体产业中的作用第二节半导体测试与表征技术分类及特点主要包括：按测试与表征技术的物理效应分类、按芯片生产流程分类及测试对象分类（性能、材料、制备、成分）等。
第三节半导体测试与表征技术的发展趋势主要包括：结合自动化和计算机技术的发展，重点论述在线测试、结果输出和数据处理功能的变化；简要介绍最新出现的各类新型测试技术。
第二章半导体工艺质量测试技术第一节杂质浓度分布测试技术（编写人：吕航）主要介绍探针法，具体包括：PN结结深测量；探针法测量半导体扩散层的薄层电阻（探针法测试电阻率的基本原理、四探针法的测试设备、样品制备及测试过程注意事项、四探针测试的应用和实例）；要介绍扩展电阻测试系统，具体包括：扩展电阻测试的基本原理、扩展电阻的测试原理、扩展电阻测试系统、扩展电阻测试的样品、扩展电阻法样品的磨角、扩展电阻法样品的制备、扩展电阻测试的影响因素、扩展电阻法测量过程中应注意的问题、扩展电阻法测量浅结器件结深和杂质分布时应注意的问题、扩展电阻测试的应用和实例。
第二节少数载流子寿命测试技术（编写人：钟敏）主要介绍直流光电导衰退法、高频光电导衰退法，具体包括：非平衡载流子的产生、非平衡载流子寿命、少数载流子寿命测试的基本原理和技术、少数载流子寿命的测试。
以及其它少子寿命测试方法，如表面光电压法、少子脉冲漂移法。
第三节表面电场和空间电荷区测量（编写人：吕航）主要包括：表面电场和空间电荷区的测量，金属探针法测量PN结表面电场的分布、激光探针法测试空间电荷区的宽度；容压法测量体内空间电荷区展宽。
第四节杂质补偿度的测量（编写人：钟敏）包括：霍尔效应的基本理论、范德堡测试技术、霍尔效应的测试系统、霍尔效应测试仪的结构、霍尔效应仪的灵敏度、霍尔效应的样品和测试、霍尔效应测试的样品结构、霍尔效应测试的测准条件、霍尔效应测试步骤、霍尔效应测试的应用和实例、硅的杂质补偿度测量、znO的载流子浓度、迁移率和补偿度测量、硅超浅结中载流子浓度的深度分布测量第五节氧化物、界面陷阱电荷及氧化物完整性测量（编写人：钟敏）包括：固定氧化物陷阱和可动电荷、界面陷阱电荷、氧化物完整性测试技术等。
半导体材料能带测试及计算
半导体材料能带测试及计算对于半导体，是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，其具有一定的带隙(E g)。
通常对半导体材料而言，采用合适的光激发能够激发价带(VB)的电子激发到导带(CB)，产生电子与空穴对。
图1. 半导体的带隙结构示意图。
在研究中，结构决定性能，对半导体的能带结构测试十分关键。
通过对半导体的结构进行表征，可以通过其电子能带结构对其光电性能进行解析。
对于半导体的能带结构进行测试及分析，通常应用的方法有以下几种(如图2)：1.紫外可见漫反射测试及计算带隙E g；2.VB XPS测得价带位置(E v)；3.SRPES测得E f、E v以及缺陷态位置；4.通过测试Mott-Schottky曲线得到平带电势；5.通过电负性计算得到能带位置.图2. 半导体的带隙结构常见测试方式。
1.紫外可见漫反射测试及计算带隙紫外可见漫反射测试2.制样：背景测试制样：往图3左图所示的样品槽中加入适量的BaSO4粉末（由于BaSO4粉末几乎对光没有吸收，可做背景测试），然后用盖玻片将BaSO4粉末压实，使得BaSO4粉末填充整个样品槽，并压成一个平面，不能有凸出和凹陷，否者会影响测试结果。
样品测试制样：若样品较多足以填充样品槽，可以直接将样品填充样品槽并用盖玻片压平；若样品测试不够填充样品槽，可与BaSO4粉末混合，制成一系列等质量分数的样品，填充样品槽并用盖玻片压平。
图3. 紫外可见漫反射测试中的制样过程图。
1.测试：用积分球进行测试紫外可见漫反射（UV-Vis DRS），采用背景测试样（BaSO4粉末）测试背景基线（选择R%模式），以其为background测试基线，然后将样品放入到样品卡槽中进行测试，得到紫外可见漫反射光谱。
测试完一个样品后，重新制样，继续进行测试。
•测试数据处理数据的处理主要有两种方法：截线法和Tauc plot法。
截线法的基本原理是认为半导体的带边波长（λg）决定于禁带宽度E g。
半导体常规电学参数测试分析PPT学习教案
(4)四探针法测量电阻的侧准条件和测试工艺要求：
1）样品表面 a)为了增大表面复合，降低少子寿命，从而减小少子注入
的影响，试样测量表面一般要求经过粗砂研磨或喷砂处理。 b)要求试样表面具有较高的平整度，且样品厚度以及任一
探针距样品边缘的距离必须大于4倍针距，以满足近似无穷 大的测试条件。 c)各测试点厚度与中心厚度的偏差不应大于±1%。
CT----温度修正系数，与样品的材料、导电类型、掺杂元素 有关系（如书中图1-15）（P14)
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方块电阻的测试
1. 方块电阻的定义
如图1所示，方形薄片，截面积为A，长、宽、厚分别用L、 w、d表示，材料的电阻率为ρ，当电流如图示方向流过时， 若单L位=为w，Ω/这□个。薄层的电阻称为方块电阻，一般用R□表示，
电压表
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2）主要参数
可测硅晶体电阻率：0.005-50000Ω•cm 可测硅棒尺寸：最大长度300mm；直径20mm 探针针距：1.59mm；探针直径Φ0.8mm
探针材料：硬质合金（WC）
电阻测量误差：≤0.3%
3）特点
a、测试范围广。 b、测试精度高。 c、即可测单晶硅，也可测多晶硅（硅芯测试）。 d、要求样品形状规则。 e、需焊接电极。
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二、电阻率的测试方法
按照测量仪器分类：
两探针法
1、接触法：
四探针法 扩展电阻法 范德堡法
❖适用于测量硅单晶切、磨等硅片的电阻率
2、无接触法： C-V法
涡旋电流法
❖测量硅抛光、外延片的电阻率
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三、两种典型的测量方法 1、两探针法 （1）一般金属测试电阻率：
半导体材料测试技术
半导体材料测试技术半导体材料测试技术是现代半导体工业中的关键环节，对半导体芯片的质量和性能进行准确的测量和评估，是保证半导体产品质量的重要手段。
本文将从半导体测试的背景与意义、半导体材料测试的基本原理、常用测试方法以及未来发展方向等四个方面进行详细阐述。
一、半导体测试的背景与意义半导体行业是现代高科技产业的基础，其产品广泛应用于电子设备、通信设备、计算机等各个领域。
而半导体芯片作为半导体产品的核心，其性能和质量在很大程度上决定了整个产品的性能和可靠性。
为了保证半导体产品的质量和竞争力，需要对半导体芯片进行全面的测试，以确保其性能指标符合设计要求，且能在各种应用场景下正常工作。
半导体材料测试技术的研究和应用，对于提高半导体产品的质量、降低缺陷率、提高生产效率等方面具有重要意义。
二、半导体材料测试的基本原理1.电学测试电学测试是半导体材料测试的基础，通过测量材料的电阻、电容、电压等参数，来评估材料的性能和特性。
常用的电学测试方法包括四引线测量法、电学参数测试、电流-电压特性测试等。
2.光学测试光学测试是半导体材料测试中的重要手段，通过测量材料对光的吸收、透射、反射等特性，来评估材料的光学性能。
常用的光学测试方法包括透射光谱分析、反射光谱分析、激发发光等。
3.结构测试结构测试是对半导体材料的外形、形态、组成等进行测量和评估的一种方法。
常用的结构测试方法包括扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)等。
三、常用测试方法1.失效分析失效分析是对半导体芯片进行故障检测和分析的方法，通过对芯片的电学、光学、结构等多个方面进行全面测试，查找故障点和原因，并提供改进和优化建议。
常用的失效分析方法包括故障模式与效应分析(FMEA)、故障定位、芯片切片分析等。
2.可靠性测试可靠性测试主要是对半导体芯片在不同环境条件下的工作稳定性和寿命进行测试和评估。
常用的可靠性测试方法包括高温老化、湿度测试、可靠性模型分析等。
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在上述辐射复合机构中，前两种 属于本征机构，后面几种则属于非本 征机构。由此可见，半导体的光致发 光过程蕴含着材料结构与组份的丰富 信息，是多种复杂物理过程的综合反 映，因而利用光致发光光谱可以获得 被研究材料的多种本质信息。
二、仪器及测试
• 测量半导体材料的光致发光光谱的基 本方法是，用紫外、可见或红外辐射 等激发光源产生能量大于被测材料的 禁带宽度Eg、且电流密度足够高的光 子流去入射被测样品，同时用光探测 器接受并识别被测样品发射出来的光 ，分析该材料的光学特性。
不同温度下GaN的光致发光
• 随温度升高,晶 格振动增强光 谱的半峰宽度 明显地增大， 峰值波长向长 波方向移动。 光谱中的肩峰 逐渐消失。形 成一宽的谱带
• 进而通过拟合 可以得到温度 和半峰宽之和 的关系
• 光致发光可以提供有关材料的结构、成分 及环境原子排列的信息，是一种非破坏性 的、灵敏度高的分析方法。激光的应用更 使这类分析方法深入到微区、选择激发及 瞬态过程的领域，使它又进一步成为重要 的研究手段，应用到物理学、材料科学、 化学及分子生物学等领域，逐步出现新的 边缘学科。
TRIAX550 PL谱仪
样品架
制冷仪
光致发光光谱测量装置示意图
测试步骤：
1. 放置样品(晶片，粉体，薄膜) 2. 抽真空 3. 降温 4. 激光器使用 5. 光谱仪自检 6. 校准 7. 样品发光光谱测量 8. 变温测量 9. 变功率测量 10.关机
三、PL谱的应用
• 由于PL谱与晶体的电子结构（能带结 构）、缺陷状态、和杂质等密切相关 ，因此，光致发光被广泛用来研究半 导体晶体的物理特性。
A对应自由激子谱区,其峰值能 量为3.57eV,大于体GaN材料的带隙 能量,说明GaN和衬底间大的失配( 晶格失配为13.8,热失配为25.5)虽 经过渡层仍未将其压缩应力完全消 除。13.8meV的半峰宽是谱峰交叠 的结果。无法确定自由激子从导带 到三个不同价带跃迁的精细结构。
B和C对应于束缚激子区。B对 应于束缚于N空位相关的中心施主 [Dº、x],C对应束缚于深受主的[ Aºd、x],其峰值能量分别为 3.476eV和3.467eV。其半峰宽分别 为10.8meV和15.6meV。
应用领域举例：
LED外延片，太阳能电池材料，半导体晶 片，半导体薄膜材料等检测与研究。
在IIK温度下,用很弱的激光激发GaN所测量 光致发光的光谱图示如。通过高斯型分峰拟 合得到A、B、C、D四个谱峰。
用MOCVD技术在Al2O3衬底上外延GaN的光致发光研究 中国科学院长春物理研究所 高瑛、缪国庆等人
D是氧杂质作用于替位受主的 结果,峰值能量为3.419eV,半峰宽 度为500meV。由于深能级与晶格间 较强的耦合会使光谱宽度明显增加 。这与氧产生峰值能量在3.414 ～ 3.422eV光谱的结果一致，B-C确定 了NH3中的氧和离子注入的氧所形 成光谱的峰值能量为 3.424eV(4.2K)。这些数据证实了 在样品中存在着氧的影响。
• 从微观上讲，光致发光可以分为两个 步骤：
第一步是以光对材料进行激励， 将其中电子的能量提高到一个非平衡 态，也就是所谓的“激发态”；
第二步，处于激发态的电子自发 地向低能态跃迁，同时发射光子，实 现发光。
• 光致发光：通过光 照射使系统跃迁到 E6 激发态，再通过非 E5 平衡辐射发光
• 基本原理：设系统 的能级结果如图所 E2 示，E0是基态， E1-E6是激发态， 受到激发后，系统 从低能级被激发到 高能级，再从高能 E0 级跃迁到低能级， 其中，E2 到E1或 E0有可能发光
束
缚
浅
自 由 载 流
e-h 自 e-h 由 声子参与
激 子 复 e-A 合
能 级 与 本 征 带
子激 复子
间 的 载
合复 合
D-h 流
子
复
合
施 主 e-D+ 受 主 对 符 通 过 深
D-A 能
级 的 复 合
(c)
半导体中各种复合过程示意图（a）带间跃迁（b） 带－杂质中心辐射复合跃迁（c）施主－受主对辐射 复合跃迁
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• 光致发光光谱（Photoluminescence,简称 PL)，指物质吸收光子（或电磁波）后重新 辐射出光子（或电磁波）的过程。从量子 力学理论上，这一过程可以描述为物质吸 收光子跃迁到较高能级的激发态后返回低 能态，同时放出光子的过程。光致发光是 多种形式的荧光（Fluorescence）中的一 种。
半导体材料测试与分析
一、光致发光的基本原理
• 1. 定义：光致发光(Photoluminescence) 指的是以光作为激励手段，激发材料中的 电子从而实现发光的过程。它是光生额外 载流子对的复合过程中伴随发生的现象。
• 2. 基本原理：由于半导体材料对能量高于 其吸收限的光子有很强的吸收，因此在材 料表面约1μm厚的表层内，由本征吸收产 生了大量的额外电子-空穴对，使样品处于 非平衡态。这些额外载流子对一边向体内 扩散，一边通过各种可能的复合机构复合 。其中，有的复合过程只发射声子，有的 复合过程只发射光子或既发射光子也发射 声子。
• 光致发光光谱的测试以其简单、可靠 ，测试过程中对样品无损伤等优点而 得到广泛的应用。
PL可以应用于：
（1）带隙检测、（2）缺陷检测、（3）复合机 制以及材料品质鉴定、（4）对少子寿命的研究、 （5）测定半导体固溶体的组分、（6）测定半导体 中浅杂质的浓度、（7）半导体中杂质补偿度的测 定、（8）对半导体理论问题的研究等。