硅材料雜質(zhì)濃度測試方案

關(guān)于硅材料雜質(zhì)濃度測試，經(jīng)研究，參考肖特基二極管雜質(zhì)濃度測試方案，兩者幾乎一致，因此，針對硅材料雜質(zhì)濃度測試亦采用CV法測量，方案如下：

一、 方案配置

1、 TH2838系列LCR數(shù)字電橋（必選）

可選頻率20Hz-1MHz/2MHz，用于測試CV特性

2、 TH199X系列精密源/測量單元（SMU）（必選）

可選單/雙通道，電壓±63V/210V，6 1/2輸出/測量分辨率，最小輸出電壓分辨率100nV、電流10fA

3、 TH26011D直流隔離開爾文測試夾具（必選）

用于隔離直流電壓與LCR測試，如果測試片狀材料，需要改裝成4個BNC，以保證精度，直接用夾子測試材料電容誤差較大。

4、 TH26008A或TH26007型SMD測試夾具（可選）

若用于測試片狀材料，需用此夾具接觸材料，可選針狀測試端或訂制圓形測試端。

5、 訂制上位機軟件（可選）

此軟件主要用于采集CV數(shù)據(jù)，采集不同電壓下電容值，并根據(jù)下列參考資料部分公式直接計算出對應雜質(zhì)濃度。

若不定制此上位機軟件，可自行采集數(shù)據(jù)并計算濃度。

方案結(jié)構(gòu)示意圖

一、 參考資料：肖特基二極管雜質(zhì)濃度相關(guān)知識

1、 肖特基二極管的構(gòu)造

肖特基二極管是貴金屬（金、銀、鋁、鉑等）作為正極，以N型半導體為負極，利用兩者接觸面上形成的勢壘具有整流特性而制成的金屬-半導體器件。

構(gòu)造：以重摻雜的N+為襯底，厚度為幾十微米，外延生長零點幾微米厚的N 型本征半導體作為工作層，在其上面再形成零點幾微米的二氧化硅絕緣層，光刻并腐蝕直徑為零點幾或幾十微米的小洞，再用金屬點接觸壓接一根金屬絲或在面接觸中淀積一層金屬和N型半導體形成金屬半導體結(jié)，在該點上鍍金形成正極，給另一面N+層鍍金形成負極，即可完成管芯，如圖4.1所示。

圖4.1 肖特基二極管結(jié)構(gòu)圖

1、 肖特基勢壘的形成原理

（1） 功函數(shù)與電子親和能金屬的功函數(shù)Wm

金屬的功函數(shù)表示一個起始能量等于費米能級的電子，由金屬內(nèi)部逸出到表面外的真空中所需的最小能量,功函數(shù)的大小標志電子在金屬中被束縛的強弱。

如圖4.2（a）所示。

為真空中電子的能量，又稱為真空能級。

圖4.2 （a）金屬功函數(shù)； （b）半導體功函數(shù)半導體的功函數(shù)Ws

半導體功函數(shù)半導體的功函數(shù)Ws

E0與費米能級之差稱為半導體的功函數(shù)，如圖4.2（b）所示。

和金屬不同，半導體的費米能級

隨摻雜類型和摻雜濃度而變化，所以Ws也與雜質(zhì)類型和雜質(zhì)濃度有關(guān)。

定義真空能級E0和導帶底能量Ec的能量差為電子親合能，用χ表示，即

電子親合能表示使半導體導帶底的電子逸出體外所需的最小能量。

（2） 肖特基勢壘結(jié)的形成

功函數(shù)不同的兩種晶體形成接觸時，由于費米能級EF不在同一水平上，將有電子自 EF 較高一側(cè)的表面流向?qū)Ψ奖砻?，在兩?cè)晶體的表面形成電荷層，從而在兩者之間形成電勢差，直到費米能級達到同一水平時，將不再有電子流流動。這時在兩者之間形成的電勢差稱為接觸電勢差。接觸電勢差正好補償兩者費米能級之差。

假定有一塊金屬和一塊n型半導體，并假定金屬的功函數(shù)大于半導體的功函數(shù)，即：Wm>Ws。由于它們有相同的真空能級，所以在接觸前，半導體的費米能級EFs高于金屬的費米能級EFm，且EFs-EFm=Wm-Ws，如圖4.3（a）所示。

圖4.3 （a）金半接觸前能級； （b）金半接觸后能級變化。

當金屬和N型半導體接觸時，由于半導體的費米能級高于金屬中的費米能級，

電子流從半導體一側(cè)向金屬一側(cè)擴散，同時也存在金屬中的少數(shù)能量大的電子跳到半導體中的熱電子發(fā)射；顯然，擴散運動占據(jù)明顯優(yōu)勢，于是界面上的金屬形成電子堆積，在半導體中出現(xiàn)帶正電的耗盡層，如圖 4.3（b）所示。界面上形成由半導體指向金屬的內(nèi)建電場，它是阻止電子向金屬一側(cè)擴散的，而對熱電子發(fā)射則沒有影響。隨著擴散過程的繼續(xù)，內(nèi)建電場增強，擴散運動削弱。在某一耗盡層厚度下，擴散和熱電子發(fā)射處于平衡狀態(tài)。宏觀上耗盡層穩(wěn)定，兩邊的電子數(shù)也穩(wěn)定。界面上就形成一個對半導體一側(cè)電子的穩(wěn)定高度勢壘：

它和耗盡層厚度有如下關(guān)系：

其中

為N的摻雜濃度，在勢壘區(qū)，??????為耗盡層寬度。電子濃度比體內(nèi)小的多，是一個高阻區(qū)域，稱為阻擋層，界面處的勢壘通常稱為肖特基勢壘。耗盡層和電子堆積區(qū)域稱為金屬-半導體結(jié)。

2、 肖特基二極管的整流特性

如果給金屬-半導體結(jié)加上偏壓，則根據(jù)偏壓方向不同，其導電特性也不同。

零偏壓：保持前述勢壘狀態(tài),如圖4.4（a）所示。

正偏：金屬一側(cè)接正極，半導體一側(cè)接負極,如圖4.4（b）所示。

外加電場與內(nèi)建電場方向相反，內(nèi)建電場被削弱，耗盡層變薄，肖特基勢壘高度降低，使擴散運動增強，半導體一側(cè)的電子大量的源源不斷的流向金屬一側(cè)造成與偏壓方向一致的電流，金屬-半導體結(jié)呈正向?qū)щ娞匦裕彝饧与妷涸酱?，導電性越好，其關(guān)系為：

反偏：金屬一側(cè)接負極，半導體一側(cè)接正極，如圖4.4（c）所示。

外加電場與內(nèi)建電場方向一致，耗盡層變厚，擴散趨勢削弱，熱電子發(fā)射占優(yōu)勢，但這部分電子數(shù)量較少，不會使發(fā)射電流增大。在反偏電壓的規(guī)定范圍內(nèi)，只有很小的反向電流。在反偏情況下，肖特基勢壘呈大電阻特性。反偏電壓過大時，則導致反向擊穿。

圖4.4 肖特基二極管在不同偏壓下的情況

肖特基二極管與 PN 結(jié)二極管具有類似的整流特性，硅肖特基二極管的反向飽和電流比典型的PN結(jié)二極管的反向飽和電流大103～108倍，如圖4.5所示，具體的數(shù)值取決于肖特基勢壘高度。較小的肖特基勢壘高度導致反向飽和電流較大，較大的反向飽和電流意味著產(chǎn)生相同的正向電流，肖特基二極管的正向?qū)妷狠^小，這個特性使得肖特基二極管更適合應用于低壓以及大電流領(lǐng)域。

圖4.5 肖特基二極管伏安特性曲線

1、 勢壘電容

耗盡層的厚度隨外加電壓的變化直接反映著耗盡層具有一定的電容。耗盡層的兩個界面可以看作平行板電容器的兩個面板，假如半導體內(nèi)雜質(zhì)濃度是均勻的且不存在氧化層，則在耗盡層的區(qū)域內(nèi)，其電容為：

如果半導體均勻摻雜，則 為一條直線，通過直線的斜率可求得半導體的摻雜濃度為：

審核編輯：湯梓紅