Метод измерения удельного сопротивления тонких пленок (Лабораторная работа № 5)

Лабораторная работа №5

Метод измерения удельного сопротивления тонких пленок

Приборы, и принадлежности: напыленные электронно-лучевым и лазерным методом пленки In₂O₃, SnO₂, CdO и др. на стекле К8, плавленый

кварц C5-1; источник постоянного напряжения УИП-2, цифровой вольтметр Ф 4202, микровольтметр-электрометр универсальный В7-29, двух- и четырехзондовая измерительная головка.

Теоретическая часть

Двухзондовый метод измерения

При исследовании электрических свойств полупроводников и про­изводстве полупроводниковых материалов, структур и приборов возни­кает необходимость измерения удельного электрического сопротивле­ния или удельной электрической проводимости полупроводниковых ма­териалов в виде монокристаллических слитков, образцов различной геометрической формы, пластин, диффузионных, эпитаксиалъных и ионно-легированных слоев, составляющих часть полупроводниковых струк­тур. Измерение удельного сопротивления осуществляется не только для установления его значения, но также для определения других важных параметров полупроводникового материала на" основе теорети­ческих расчетов или дополнительных экспериментальных данных.

Выбор метода измерения осуществляют' с учетом получения требу­ющейся информации, особенностей исследуемого материала, возможно­сти изготовления электрических контактов, геометрической формы об­разца, метрологических характеристик метода измерения. В идеальном случае измерение характеристик материалов не должно приводить к разрушению образца и не должно требовать его специальной обработ­ки.

Многие методы измерения удельного сопротивления полупровод­никовых материалов основаны на измерении* разности электрических потенциалов на некотором участке образца, через который пропускает­ся электрический ток. Исторически одним из "первых методов измере­ния удельного сопротивления был двухзондовый метод, применявшийся для измерения удельного сопротивления металлов. Измерения с по­мощью методов, для которых необходима строго определенная геомет­рия образца, сопряжены со значительными затратами времени, главным образом на изготовление образцов и контактов к ним. Для быстрого измерения удельного сопротивления используют четырехзондовый ме­тод, метод сопротивления растекания точечного контакта, а также метод Ван-дер-Паули. Указанные методы удобны, позволяют выполнять измерения не только на однородных образцах, но и на диффузионных, эпитаксиальных и ионно-легированных слоях, а также исследовать пространственное изменение удельного сопротивления. Для зондовых методов силовые линии напряженности электрического поля непаралле­льны и распределены неоднородно по сечению образца, ввиду чего сначала необходимо теоретически рассчитывать распределение элект­рического потенциала в образце, а затем находить взаимосвязь между удельным сопротивлением и измеряемыми величинами, током и напряже­нием.

При использовании зондовых методов нужен непосредственный контакт с полупроводниковым образцом. Поэтому эти методы приводят к разрушению образцов. Например, при измерениях четырехзондовым методом или методом сопротивления растекания металлические зонды разрушают поверхность образца; для применения же метода Ван-дер-Паули необходимо создание четырех контактов. Поэтому существует потребность в методах измерения» не требующих непосредственного контакта с образцом и получивших название бесконтактных. Имеется несколько подходов к осуществлению бесконтактных измерений. Они основаны на использовании отражения или поглощения электромагни­тной волны, индуктивной или емкостной связи образца с измеритель­ной схемой. В силу этого бесконтактные методы являются оптическими и высокочастотными.

Двухзондовый метод применяют для измерения удельного сопротивления образцов, например, в виде прямоугольной пластины, изготавливают омические контакты. Через эти контакты вдоль образца пропускают электрический ток. На одной из поверхностей образца вдоль линий тока устанавливают два контакта в виде металлических иголок - зондов, имеющих малую площадь соприкосновения с поверхностью и позволяющих измерить разность, потенциалов.

Если образец однороден, то его удельное сопротивление (Омом):

 ,

где I - сила тока, протекающего через образец, А;  - разность

потенциалов между измерительными или потенциальными зондами, В; s -расстояние между зондами, см; S - площадь поперечного сечения, см².

Ток через образец подается от регулируемого источника постоянного тока, гарантирующего достаточную его стабильность во времени. Сила тока измеряется миллиамперметром, разность потенциалов - полуавтоматическим компенсирующим потенциометром или электронным цифровым вольтметром с высоким входным сопротивлением.

Погрешность измерения напряжения и тока при использовании приборов с цифровой индикацией не превышает 0.1%. Однако систематическая погрешность измерения напряжения между потенциальными зондами зависит от сопротивления контакта зонда с образцом, которое может

в 10³ - 10⁴раз превышать сопротивление образца. Чтобы устранить влияние сопротивлений контактов на результаты измерений, необходимо предельно уменьшить протекающий через них ток. Для этого используют вольтметры с высоким выходным сопротивлением (10³ Ом и больше), причем сопротивление изоляции каждого из зондов относительно любого элемента измерительной установки должно быть много большее этого значения.