SJ 3244.4 89 砷化镓和磷化铟载流子浓度刨面分布的测试方法 电化学电压电容法

砷化镓和磷化铟载流子浓度刨面分布的

测试方法-电化学电压电容法

 

1         主题内容与适用范围

1.1        本标准规定了电化学电压溶法测量的原理，一起和电解液要求，测量结果和计算。

1.2        本标准适用于载流子浓度10¹⁴～10¹⁹cm^-3的n型和p型砷化镓、磷化铟，也适用于铝嫁砷和镓磷砷材料载流子浓度刨面分布的测量。

 

2 原理

2.1 半导体表面与适当的电解液接触，功能形成近似莫特—肖特基接触势垒，尽管不同半导体材料和不同电解体溶液接触的平带电势不同，但接触的二侧（半导体材料和电解液）将构成一定的电容，此电容值与半导体的载流子浓度有关。载流子浓度由莫特—肖特基电容公式给出：

 ……………………（1）

式中：——扩散势垒，；

      ——外加偏压，；

——单位电荷量，其值为；

——半导体材料介电常数，砷化镓为13.18，磷化铟为12.35；

    ——真空电容率，其值为；

——光照样品与溶液接触面积；

      ——材料载流子浓度；

——电子电荷库伦（）；

——电容；

合适的电解液与半导体接触的莫特—肖特基方程式的关系不受材料浓度好人制备工艺等因素的影响。平带电式溶液的不同主要取决于PH值。

2.2 、n型材料与电解液接触处，在规定光强的均匀光照下，选择适应的阳极溶解电位，产生阳极溶解，p型材料在暗场及适当的阳极溶解电位下，即可进行阳极溶解，均可获得平整的腐蚀坑，这时逐层溶解的目的。

测量深度：

……………………（2）

式中：——耗尽层深度，单位μm；

      ——阳极溶解深度，单位μm；

耗尽层深度：

      ……………………（3）

由阳极溶液电流及时间参量通过法拉第定律计算出样品被溶解掉的厚度：

      ……………………（3）

式中：——被溶解材料的摩尔，砷化镓为144.63g，磷化铟为145.759g；

      ——电化当量数。其值为6；

——法拉第常数，其值为；

——被溶解材料密度，砷化镓为5.32/cm³，磷化铟为4.787/cm³；

          ——电流。

由此可得载流子浓度n与深度X的分布曲线，即纵向载流子浓度刨面图分布。

2.3        电流—电压曲线对于n型材料，阳极极化光照时出现极限电流，电位超过一定值时，电流突然增加，阳极极化时，光照和暗时无明显不同，军随电位增加而增大。对于型材料则相反。在电容—电压曲线中，对莫特—肖特基基接触加一个小的正偏压。电容则增加；对n型材料，电容则减少。通过电流—电压和电容—电压曲线逐步判别半导体材料及导电类型。

3             测量装置与电解液

3．1          自制测量装置

3．2          测量装置示意图如图1所示

图1 电化学C—V法测量装置

3.1.2          被测样品由铜涂锡探针，压置在电解槽

样品和电解槽的聚氯乙烯黄兴接触面积限制器上，样品与电解液保持横面积接触，直径为1.8mm左右、石墨阴极和探针构成阳极溶解通道

3.1.3          数字电压表

    测量相对于参照电极（S、C、E）溶解电位 。量程为0～2V。灵敏度优于1mV,输入阻抗大于等于100mΩ．

3.1.4  电溶液

    用于测量铂辅助阴极和探针二个电极问的电容。量程为20～20000f，精度5%．砷化镓材料的电容测试频率为100 kHz，讯号幅度100mv(r．m．s)，磷化铟材料的电容测试频率为100RHz成3RHz．

3.1.5光源

    用于经聚焦均匀照射样品，石英卤钨．灯，功率为100W．

3.1.6怛电位仪

    电流—500mA<A<+500mA ；

    电压—2V<V< +2V，分辨率2mv，误差小于±10mv．

3.2专用成套测最仪器

    PN—4100型, PN—4200型电化学电压电容测试仪（带电子计算机）

3.3电解液

3.3.1对砷化镓或砷化镓／铝镓砷的n型或型材料，采用2M氢氧化钾溶液，PH=14．对

磷化钢或磷化铟／镓铟砷磷材料，采用0.2～0.5M氯化氧溶液，PH=1（相对于氢电极）．

3.3.2试剂纯度均为分析纯。

 

4  样品制备与测量步骤。

4.1  样品制备

4.1.1将样品依次浸入丙酮和酒精中进行超声清洗，然后用高纯水漂洗，清除表面油污，

样品表面无明显缺陷．

4.1.2欧姆接触

    低阻衬底外延样品的欧姆接触由背而涂铟镓合金(Ga：In=8：2)放电，作电形成，高阻衬底外延样品的欧姆接触由外延面上蒸发金、锗、镍合金( Au：Ge：Ni。135: 18:7)，经温度400℃，时间3min，作合金化．

4.2测毓步骤

4.2.1将已配置的电解液倒入电解槽．并排除溶解液中的所有气泡．

4.2.2将样品紧密接触塑料限制器上，并吸千限制器外渗透的电解液．

4.2.3按2.3l中I—V特性或C—V特性测量判别半导体材料是n型或型．

4.2.4接通测试回路，通过调节测量系统中△C的平衡网络，对寄生电容（如由于塑料限

制器环上渗有电也解液而引入的附加电容△C）进行直接补偿．（见附录A）

4.2.5测最半一导体表面处（未开始溶解）暗场下的电容值．

4.2.6接通阳极溶解迥路进行阳极溶解（对n型材料必须加光照），记录阳极溶解电滤和时

问．

4.2.7停止阳极溶解，测量该溶解处的电容值．测量采样时的时间。

4.2.8燕复4.2.3～4.2.7步骤，直至测量到用户所需深度．

4.2.9如果采用自动成套测量仪器，则只需根据本仪器的I—V、C—V特性校正好该材料表面的载流子浓度值．选择好所需的浓度．深度范围（新测量程）后，即能自动打点描绘出剖面图

 

5结果计算

5.1  将已知V_D、．，e、A、V_R一以及各次所测的Ci值，代入(1)式，计算出第i次测量的载流子浓度n1．

5.2 将各次阳极溶解时电流和时间记录值Ii和ti代入式(4)，计算各次的溶解深度W_Ri．

5.3  由(2)式计算出各次测覆势垒电容时所测的实际深度Xi．

5.4  绘制logni—Xi曲线

5.5  如果用自动测蹙装置．该仪器直接以logn—X曲线记录下来．

 

6报告

    报告包括如下内容．

    a．样品名称、来源及编号；

    b．以图示出样晶上测量点的位置，

    c．绘出载流子浓度．型号以及载流子浓度剖面分布曲线，

    d．测量日期；

e．测量者。

 

附录A

附加电容△C测量

（补充件）

 

电解液/半导体接触的势垒电容直接手接触面积的几何尺寸的影响，在实际使用中，由于电解液的浸润，使样品的聚氯乙烯的限制器接触面积的内侧边缘存在着渗水区。由此引起电解液/半导体接触面积比实际溶解面积大（△+△A）,如图A所示。

……………………（5）

实际载流子浓度为：

……………………（6）

式中：—电化学—C—V法测量的表现浓度值。

将（5）和（6）式所得的和分别代入莫特—肖特基电容公式（1）。得到和所对应的电容，则可得到由于塑料限制器环上渗有电解液而引入的附加电容△C。

图A 寄生面积△A示意图

  

附加说明：

本标准由中国科学院上海冶金所负责起草。

本标准主要起草人：汪东、陈自姚、邵永富。

1707