电容-电压法测量n_n_外延层中杂质浓度.doc

实验四、电容-电压法测量n/n+外延层中杂质浓度

一、 实验目的
通过测量肖特基势垒二极管电容与反向电压的关系，测量硅及砷化镓n/n+外延层的杂质浓度随深度的分布。

二、 方法原理
目前国内广泛应用电容-电压法测量外延层的杂质浓度，主要是因为它比三探针优越。三探针法是基于反向击穿电压与杂质浓度的关系建立起来的，并且使用标准样品校正的方法。由于反向击穿电压的限制，它对薄片和高阻外延层不适用。而电容电压法可以测量薄层（2~10微米）与杂质浓度较低的（1012~1014cm-3）外延层。目前砷化镓外延层很薄，用此法可以满足工作的要求，并且它可以测出外延层中杂质的纵向分布，对检查外延片质量及设计器件有重要的意义。以下我们就来看此方法的基本原则。
具有单向导电性的金属-半导体接触，称为肖特基势垒二极管，简称SBD，SBD的结构和PN结是相似的。PN结中所形成的空间电荷区和自建电场，是因为P型和N型半导体的电子费米能级原来高低不同，相互是不平衡的。形成SBD的金属和半导体，一般功函数也不同，所以也是互相不平衡的。因此同样也要发生电荷的流动，形成空间电荷区、自建场和势垒，最后是费米能级在各处达到同一水平。
金属和N型半导体的SBD的空间电荷区很象一个P+N的单边突变结。金属一边空间电荷区很窄，是因为载流子浓度很高，相当于很高的掺杂浓度。空间电荷的宽度几乎全在半导体一边，其中正的空间电荷由电离施主构成，此空间电荷区称为耗尽层，耗尽层的宽度取决于半导体的杂质浓度。耗尽层的厚度随外加电压的变化直接反映着耗尽层具有一定的电容。耗尽层的两个界面可以看作平行板电容器的两个面板，其电容值可由下述关系表示：
(1)
式中：W----耗尽层宽度；e----硅的介电场数；e0----真空电容率；A----结面积。
假如半导体内杂质浓度是均匀的，则在耗尽层的区域内，泊松方程的解给出了如下的结论：
(2)
式中：C—结电容
A— 结面积
q—电子电荷
e—半导体材料的介电常数
e0—真空电容率
ND—n型半导体外延层施主浓度
VI—自建电压
V—外加反向片压的数值
由(2)式得： (3)
当反向偏压增加时，电容减小，所以：
(4)
(5)
因为结面积为圆形，所以：，代入(5)式得：
（6）
q=1.6´10-19[库仑]，硅的介电常数e=11.75，e0=8.854´1014法拉/厘米。把有关常数代入(6)式得 ： Si: (7)
GaAs: (8)
(7)和(8)为实际应用的公式，单位为：
DV—伏特；
C, DC—微微法；
ND(W)—[厘米]-3
由(1)式求出外延层深度W：
Si：w=81.7d2/C[微米] (9)
GaAs：W=81.2d2/C[微米] (10)
(9)和(10)式中的C用Pf；d直径用mm。通过（7）、（8）、（9）和（10）式可以计算外延层的杂质浓度及外延层深度。

三、 实验部分
SBD的制作：将外延偏平放，用细牙签蘸取少量金液，轻轻滴在外延片上，一个外延片上滴三四滴。注意金点不能过大，直径在0.6~1.0mm之间。对高浓度外延片金点要小一些，低浓度可以稍大一些。然后用红外灯烤干。这时在外延片上形成金色的金点，这就是形成SBD肖特基二极管。
点金液的配方：Au：HCl：HF=1g：10ml：10ml。
欧姆 接触的制备：在测量时要求外延片的背面形成良好的欧姆接触，一般在背面涂上镓锡合金就可以满足测量要求。（镓、铟锡的配方比为：Ga：In：Sn==1：0.8：1，称好放入玻璃杯中在80°C烘相中烘干2小时即可。）
测量线路如图一。

图一

图一给出了确定结电容的线路示意图。使用一台超高频Q表来测量结电容，用可调直流电源来向SBD上加反向偏压，电压的大小由伏特计读出。电容C1是起隔直作用，使直流部分与Q标的交流信号分开。电感L，我们采用的是2.5mH（毫亨）蜂房式高频扼流圈，它主要是阻止高频信号到直流部分，使高频信号截止，使Q表产生的交流信号无损耗的加到SBD上。C2是滤波电容，使很小的交流漏电滤掉。从无线电谐振电路原理得到由电感、电容串联的电路中，谐振时电感电容器两端的电压很大。当Q表的高频振荡源给谐振回路供给一个频率为f的高频电压时，如回路中的电感固定，那么谐振电容必须满足：，或在实际测量中我们选定一个C0而改变Q表的高频振荡源的频率。在谐振时：
如果我们在未加SBD之前测得一个谐振电容C0（即表上的主调电容器的电容值）之后，当SBD与C0并联，这时回路失谐。如果减小Q表的主调可变电容到C1，使Q表的指示重新达到谐振，这时SBD的电容C必定等于Q表的主调电容的第一值与第二值之差，即C=C0-C1。由此可见，只要测得C0及C1就可以得到SBD的电容值。我们对SBD电容的测量正是基于这一谐振的原理。
实验中具体测量程序如下：
1、 首先按Q表示用规则，熟悉Q表的使用方法。把Q表的主调可变电容放到500pf处，然后调节频率旋钮达到谐振点，固定此频率；
2、 把预先做好SBD的外延片背面涂上一层水，然后在触针架的底片上，将触针放下，与金点对准并很好的接触。这时回路失谐。再旋转主调可变电容，重新达到谐振点。这时500pf与可变电容指示值之差，即为零偏压的SBD电容。记录下此数据。继续调节直流偏压旋钮，使电压有很小的改变，再调节主调可变电容旋钮使Q表再次达到谐振点，记录下电容值。以次往下做下去，得到不同偏压下的电容值。重要的是在低压区只能取小的电压增加量，因为这个区内电容的变化最大。随着反向电压的增大，SBD接近基传。当反向串联微安表电流值（即SBD反向饱和电流值）大于20 微安时，即停止加反向偏压，测量到此不继续测了。为了减小测量误差，要，电容值的变化不要过大。