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1、半导体材料的性能检测,张雯信息功能材料研究所26582474，60202474,多晶硅原料,硅单晶棒,单晶硅线切割设备,抛光硅片,铸造多晶硅,铸造多晶硅,铸造多晶硅,太阳能电池片,太阳太阳能电池片,集成电路片,体材料：材料制备过程的实时检测，体材料基础性能检测，不同种类体材料的性能检测器件：制备过程的实时检测，最终产品的常规性能检测，不合格产品的性能检测,性能检测,一、性能检测基础二、性能检测的必要性三、性能检测的种类和方法四、体材料的性能检测,一、性能检测基础,1、什么是半导体材料2、半导体材料的特性3、性能检测的物理基础,1、什么是半导体材料,半导体材料（semiconductor mat
2、erial）传统定义：导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电导率在10-310-9欧姆/厘米范围内。纯度很高的半导体材料称为本征半导体，常温下其电阻率很高，是电的不良导体。,主要的半导体材料,1.元素半导体，第一代半导体材料。锗、硅、硒、硼、碲、锑等。2.化合物半导体，第二代半导体材料。由两种或两种以上的元素化合成的半导体材料。重要的有砷化镓、磷化锢、锑化铟、碳化硅、硫化镉及镓砷硅等。3.外延化合物半导体。第三代半导体材料。,其他种类的半导体材料,1.无定形半导体材料。非晶硅、氧化物玻璃和非氧化物玻璃。这类材料具有良好的
3、开关和记忆特性和很强的抗辐射能力，主要用来制造阈值开关、记忆开关和固体显示器件。2.有机半导体材料。已知的有机半导体材料有几十种，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，目前尚未得到应用。,2、半导体材料的特性,半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。半导体材料的导电性对外界条件（如热、光、电、磁等因素）的变化非常敏感，据此可以制造各种敏感元件，用于信息转换。,杂质敏感,在高纯半导体材料中掺入适当杂质后，由于杂质原子提供导电载流子，使材料的电阻率大为降低。这种掺杂半导体常称为杂质半导体。杂质半导体靠导带电子导电的
4、称N型半导体，靠价带空穴导电的称P型半导体。不同类型半导体间接触（构成PN结）或半导体与金属接触时，因电子（或空穴）浓度差而产生扩散，在接触处形成位垒，因而这类接触具有单向导电性。,光敏感,光敏探测原件太阳能材料,二、性能检测的必要性,晶体的用途晶体组分的不均匀性晶体结构的不均匀性晶体性能的不均匀性,晶体的用途,用各种方法生产的体单晶再经过晶体定向、滚磨、作参考面、切片、磨片、倒角、抛光、腐蚀、清洗、检测、封装等全部或部分工序以提供相应的晶片。在晶片上制作器件,电阻率在径向和轴向上都发生变化硼掺杂的硅片，局部电阻率变化为8，而磷掺杂的硅片为 1020。,杂质分凝,三、性能检测的种类和方法,1、
5、体材料的性能检测2、器件的性能检测1）、膜材料（外延层）的性能检测（1）、电子器件（2）光电子器件2）、太阳电池,四、体材料的性能检测,1、体材料的制备2、体材料的性能检测指标和检测原理3、体材料性能检测设备,1、体材料的制备,常用的半导体材料制备工艺有原料的提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。1）、原料的提纯原料要求的纯度在6个“9”以上，最高达11个“9”以上。提纯的方法分两大类，一类是不改变材料的化学组成进行提纯，称为物理提纯；另一类是把元素先变成化合物进行提纯，再将提纯后的化合物还原成元素，称为化学提纯。,2）、单晶的制备,单晶的制备直拉法,单晶的制备-区熔法,硅的基本性质,硅熔体的物理性
6、质,拉晶耗材拉单晶专用镓掺杂剂 母合金 籽晶：圆籽晶、方籽晶、锥形（直拉单晶）籽晶,制造适于生产半导体器件的起始材料（即硅片）的过程称为硅片制备（Wafering）a）切段：已生长成的单晶晶锭要经过电阻率、杂质 含量、晶体完整性、大小和重量的常规测定。晶锭的结晶不良、不规则形状和小于尺寸的 部分被切割下来丢弃（籽 晶 和 底或尾端也 是同样）。b）滚圆：把原生态的晶体处理成有精确直径的圆柱形。,3）、硅片制备,c）定 位：沿晶锭长度方向研磨出一个或多个平边。其中最大的称为主平边（primary flat）用来确定晶向和硅片的导电类型d）切片：晶向的硅片一般“按晶向”切 割，而 硅片一般“偏晶向
7、”切 割（3 0.5）,4）、外延生长,在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延。外延的方法有气相、液相、固相、分子束外延等。工业生产使用的主要是化学气相外延，其次是液相外延。金属有机化合物气相外延和分子束外延则用于制备量子阱及超晶格等微结构。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金属等衬底上用不同类型的化学气相沉积、磁控溅射等方法制成,2、体材料的性能检测指标和检测原理,1）、晶向的测量2）、导电类型的判定3）、电阻率的测量4）、少子寿命的测量5）、缺陷的显示、检测和利用6）、微量杂质的检测,半导体材料的特性参数有禁带宽度、电阻率、载流子迁移率、非平衡载流子寿命和位错密度等。禁带宽度由半导体的电子态、
8、原子组态决定，反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。直接带隙和间接带隙是材料的基础性能通过组分掺杂、结构调整等，可以改变,电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用（如光或电场）下内部载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。位错是晶体中最常见的一类缺陷。位错密度用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度。引入结构缺陷、利用结构缺陷。,1）、晶向的测量,固体分为晶体和非晶体。在晶体中，组成晶体的原子呈周期重复性地 在空间中排列。如果这种周期重复性的排列存在于整个晶体，这种物质被定义为单晶（single crystal）材料如果晶体
9、由无数个小的单晶区域组成，这种 晶体被称为多晶（polycrystalline）材料。,晶体的特点,各向异性电学性能、物理化学性能的差异不同器件需要制作在不同的晶向上,晶向的测量方法,光点定向法：光的干涉X-射线衍射法：光的衍射,2）、导电类型的判定,掺三价杂质，空穴导电，p型掺五价杂质，电子导电，n型两种类型的材料接触，构成pn结,测量方法和测量原理,冷热探针法单探针接触整流法三探针法,3）、电阻率的测量,导电能力的量度导电能力不同的材料，用于制作不同的器件测量原理：欧姆定律,测量方法和测量原理,两探针法四探针法单探针扩展电阻法,4）、少子寿命的测量,少数载流子平均存在的时间少数载流子的浓度
10、衰减到初始浓度1/e的时间反映材料敏感程度检测有害的重金属杂质,测量方法和测量原理,直流光电导法交流光电导法光激发出少数载流子，测量电流或电势的衰减情况，获得少数载流子的衰减情况,5）、缺陷的显示、检测和利用,结构缺陷、组成缺陷点缺陷、面缺陷、体缺陷扩大缺陷，进行显微观察,缺陷产生的原因：各种应力，单晶制备、切割和研磨辐照缺陷的消除和利用：热处理吸杂，清洁区,硅中的缺陷,6）、微量杂质的检测,直接检测:质谱仪，电镜，光谱分析等间接检测:红外吸收光谱,3、体材料性能检测设备,导电类型测试仪,便携式电阻率及PN型号测试仪(SRPT-VI),电阻率测试仪,少子寿命测试仪,硼磷含量测试仪,表面金属杂质含量测试仪,金属杂质含量测试仪,氧碳含量测试仪,多晶硅红外探伤测试仪,硅片缺陷观测仪,金相显微镜,扫描电子显微镜,表面颗粒度测试仪CR81,一、太阳电池的基本结构和工作原理,太阳能电池基本结构可分为基板（substrate）、p-n结、绒面、减反射层（ARC）和金属电极等五个部分,太阳能电池基本工作原理,太阳能电池工作示意图,太阳电池的基本原理就是p-n结的光生伏特效应，当用适当的光照射p-n结时，由于内建电场的作用（不加外电场），半导体内部产生电动势（光生电压）；如将p-n结短路，则会出现电流（光生电流）。产生的光生电流由电池表面的金属电极引出从而实现了电池的功率输出。,
