半导体材料测试技术课件.ppt

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1、半导体材料测试技术李梅重点实验室半导体的检测与分析是一个介于基础研究与应用研究之间的涉及内容很广而又不断蓬勃发展的领域。目前对光电子材料进行物理和化学研究的方法很多，有透射电镜、光荧光、拉曼光谱、背散射、二次电子谱、俄歇、电化学C-V和X射线双晶衍射等。本课程主要是根据我们实验室现有的实验设备进行实验教学，重点介绍X射线双晶衍射技术、光致发光分析方法、电化学CV分布测量技术、霍尔效应测量等方法的基本原理及其在半导体中的应用。目录X射线双晶衍射技术光致发光分析方法霍尔效应测量原理电化学C-V分布测量技术

2、扫描电子显微镜的原理及应用第一章X射线双晶衍射技术X射线是1895年11月8日由德国物理学家伦琴（W.C.Rontgen）在研究真空管高压放电现象时偶然发现的。由于当时对这种射线的本质和特性尚无了解，故取名为X射线，后人也叫伦琴射线。从1895到1897年间，他搞清楚了X射线的产生、传播、穿透力等大部分特性。伦琴的这一伟大发现使得他于1901年成为世界上第一位诺贝尔奖获得者。X射线发现近半年就被医务界用来进行骨折诊断和定位了，随后又用于检查铸件中的缺陷等。优点对于研究材料的结晶完整性、均匀性、层厚、组

3、分、应变、缺陷和界面等重要信息，X射线双晶衍射方法具有独特的优势。首先它是非破坏性的，其次是精度高，方法简便。它不仅为材料生长工艺提供准确的参数，用来指导生长工艺，同时也为器件研究和物理研究提供了可靠的基础。这里主要介绍X射线双晶衍射方法在光电子材料中的应用，其中包括异质外延晶格失配、单量子阱和超晶格结构参数的确定和测量等。第一节X射线的性质及产生一、X射线的性质X射线在本质上与可见光相同，都是一种电磁波，但它的波长要短的多。通常，X射线的波长范围约为0.01Å到100Å，介于γ射线和紫外线之间。在研

4、究晶体结构时常用的X射线波长约在2.5Å--0.5Å之间。因为X射线的波长很短、能量很高，所以有很强的穿透物体的能力。一般称波长短的X射线为硬X射线，反之称为软X射线，以此来表示它们的穿透能力。二、X射线的产生X射线是由高速运动着的带电粒子与某种物质撞击后突然减速，且与该物质中的内层电子相互作用而产生的。X射线产生要有几个基本条件：（1）产生自由电子；（2）是电子作定向高速运动；（3）在电子运动的路径上设置使其突然减速的障碍物。所以X射线发生器的构造原理如图所示：1、阴极，阴极系灯丝，阴极的功能是发射

5、电子。2、阳极，阳极又称之为靶（target）。是使电子突然减速并发射X射线的地方。当高速运动的电子与阳极相碰时，便骤然停止运动。此时电子的能量大部分变为热能，一部分变成X射线光能，由靶面射出。3、窗口，窗口是X射线射出的通道。窗口材料要求既要有足够的强度以维持馆内的高真空，又要对X射线的吸收较小，较好的材料是金属铍。三、X射线谱当高速的阴极电子流轰击阳极时，便将阳极物质原子深层的某些电子击出而转移到外部壳层，这时原子就处于不稳定状态。这样，外层的电子立即又会跃迁到内部填补空位，使原子的总能量降低，而

6、多余的能量就以一定波长的X射线发射出去，形成了特征X射线。图8-4示出了产生特征X射线的示意图。由图可以看出，把K层电子跃迁到外层时的激发称为K系激发，把电子由原子外层跃迁回此时空的K壳层产生的X射称为K系辐射。把K系辐射中电子由L壳层转移到K壳层的辐射称为Kα辐射；由M壳层转移到K壳层的辐射称为Kβ辐射。由于M壳层的能量较L壳层高，产生Kβ是原子能量降低很多，所以Kβ辐射的波长比Kα短。但是电子由M壳层跃迁到K壳层的几率小，因此Kβ线的强度比线的小。在晶体结构分析中常用K系X射线。K线可分为波长比较

7、接近的Kα1和Kα2线，它们系由能级的精细结构形成。一般来说，Kα1、Kα2和Kβ辐射的强度比接近于1：0.5:0.2。由于在X射线双晶衍射方法的实验中采用单色X光，故需用Ge单色器（第一晶体）把Kα2和Kβ射线滤掉。Cu靶的Kα1特征X射线波长为0.15405nm。第二节晶体几何学基础一、空间点阵二、晶系三、常见的晶体结构四、晶面与晶向晶面族，用大括号{hkl}来表示泛指晶向，用方括号[uvw]来表示;有对称关联的等同晶向用表示。如<111>?六方晶系的晶面和晶向指数五、晶面间距第三节X射

8、线双晶衍射基本理论X射线照射到晶体上产生的衍射花样，除于X射线有关系外，主要受晶体结构的影响。晶体结构与衍射花样之间有一定的内在联系，通过衍射花样的分析，就能测定晶体结构与研究有关的一系列问题。X射线衍射理论能将晶体结构与衍射花样有机地联系起来，它包括衍射线束的方向、强度和形状。衍射线束的方向由晶胞中的位置和种类决定，而衍射线束的形状大小与晶体的大小相关。布拉格定理第四节X射线双晶衍射实验方法X射线双晶衍射仪简介Ｘ射线双晶衍射实验是在日本理学公司生产的D