載流子遷移率測量方法總結(jié)

0 引言
    遷移率是衡量半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的重要參數(shù)，它決定半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率，影響器件的工作速度。已有很多文章對載流子遷移率的重要性進(jìn)行研究，但對其測量方法卻少有提到。本文對載流子測量方法進(jìn)行了小結(jié)。

1 遷移率μ的相關(guān)概念
    在半導(dǎo)體材料中，由某種原因產(chǎn)生的載流子處于無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，當(dāng)外加電壓時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部的載流子受到電場力作用，做定向運(yùn)動(dòng)形成電流，即漂移電流，定向運(yùn)動(dòng)的速度成為漂移速度，方向由載流子類型決定。在電場下，載流子的平均漂移速度v與電場強(qiáng)度E成正比為：
  
式中μ為載流子的漂移遷移率，簡稱遷移率，表示單位電場下載流子的平均漂移速度，單位是m2／V·s或cm2／V·s。
    遷移率是反映半導(dǎo)體中載流子導(dǎo)電能力的重要參數(shù)，同樣的摻雜濃度，載流子的遷移率越大，半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電率越高。遷移率的大小不僅關(guān)系著導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱，而且還直接決定著載流子運(yùn)動(dòng)的快慢。它對半導(dǎo)體器件的工作速度有直接的影響。
    在恒定電場的作用下，載流子的平均漂移速度只能取一定的數(shù)值，這意味著半導(dǎo)體中的載流子并不是不受任何阻力，不斷被加速的。事實(shí)上，載流子在其熱運(yùn)動(dòng)的過程中，不斷地與晶格、雜質(zhì)、缺陷等發(fā)生碰撞，無規(guī)則的改變其運(yùn)動(dòng)方向，即發(fā)生了散射。無機(jī)晶體不是理想晶體，而有機(jī)半導(dǎo)體本質(zhì)上既是非晶態(tài)，所以存在著晶格散射、電離雜質(zhì)散射等，因此載流子遷移率只能有一定的數(shù)值。

2 測量方法
    (1)渡越時(shí)間(TOP)法
    渡越時(shí)間(TOP)法適用于具有較好的光生載流子功能的材料的載流子遷移率的測量，可以測量有機(jī)材料的低遷移率。
    在樣品上加適當(dāng)直流電壓，選側(cè)適當(dāng)脈沖寬度的脈沖光，通過透明電極激勵(lì)樣品產(chǎn)生薄層的電子一空穴對。空穴被拉到負(fù)電極方向，作薄層運(yùn)動(dòng)。設(shè)薄層狀況不變，則運(yùn)動(dòng)速度為μE。如假定樣品中只有有限的陷阱，且陷阱密度均勻，則電量損失與載流子壽命τ有關(guān)，此時(shí)下電極上將因載流子運(yùn)動(dòng)形成感應(yīng)電流，且隨時(shí)間增加。在t時(shí)刻有：

  
    若式中L為樣品厚度電場足夠強(qiáng)，t≤τ，且渡越時(shí)間t0<τ。則

  
    在t0時(shí)刻，電壓將產(chǎn)生明顯變化，由實(shí)驗(yàn)可測得，又有
    式中L、V和t0皆為實(shí)驗(yàn)可測量的物理量，因此μ值可求。
    (2)霍爾效應(yīng)法
    霍爾效應(yīng)法主要適用于較大的無機(jī)半導(dǎo)體載流子遷移率的測量。
    將一塊通有電流I的半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，則在垂直于電流和磁場的薄片兩端產(chǎn)生一個(gè)正比于電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度的電勢U，這稱為霍爾效應(yīng)。由于空穴、電子電荷符號相反，霍爾效應(yīng)可直接區(qū)分載流子的導(dǎo)電類型，測量到的電場可以表示為

   
    式中R為霍爾系數(shù)，由霍爾效應(yīng)可以計(jì)算得出電流密度、電場垂直漂移速度分量等，以求的R，進(jìn)而確定μ。
    (3)電壓衰減法
    通過監(jiān)控電暈充電試樣的表面電壓衰減來測量載流子的遷移率。充電試樣存積的電荷從頂面向接地的底電極泄漏，最初向下流動(dòng)的電荷具有良好的前沿，可以確定通過厚度為L的樣品的時(shí)間，進(jìn)而可確定材料的μ值。
    (4)輻射誘發(fā)導(dǎo)電率(SIC)法
    輻射誘發(fā)導(dǎo)電率(SIC)法適合于導(dǎo)電機(jī)理為空間電荷限制導(dǎo)電性材料。

    在此方法中，研究樣品上面一半經(jīng)受連續(xù)的電子束激發(fā)輻照，產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)SIC，下面一半材料起著注入接觸作用。然后再把此空間電荷限制電流(SCLC)流向下方電極。根據(jù)理論分析SCLC電導(dǎo)電流與遷移率的關(guān)系為
    J=pμε1ε0V2/εDd3 (7)
    測量電子束電流、輻照能量和施加電壓函數(shù)的信號電流，即可推算出μ值。
    (5)表面波傳輸法
    將被測量的半導(dǎo)體薄膜放在有壓電晶體產(chǎn)生的場表面波場范圍內(nèi)，則與場表面波相聯(lián)系的電場耦合到半導(dǎo)體薄膜中并且驅(qū)動(dòng)載流子沿著聲表面波傳輸方向移動(dòng)，設(shè)置在樣品上兩個(gè)分開的電極檢測到聲一電流或電壓，表達(dá)式為
    Iae=μP／Lv． (8)
    式中P為聲功率，L為待測樣品兩極間距離，v為表面聲波速。有此式便可推出μ值。
    (6)外加電場極性反轉(zhuǎn)法
    在極性完全封閉時(shí)加外電場，離子將在電極附近聚集呈薄板狀，引起空間電荷效應(yīng)。當(dāng)將外電場極性反轉(zhuǎn)時(shí)，載流子將以板狀向另一電極遷移。由于加在載流子薄層前、后沿的電場影響，因而在極性反轉(zhuǎn)后t時(shí)間時(shí)，電流達(dá)到最大值。t相當(dāng)于載流子薄層在樣品中行走的時(shí)間，結(jié)合樣品的厚度、電場等情況，即可確定μ值。
    (7)電流一電壓特性法
    本方法主要適用于工作于常溫下的MOSFET反型層載流子遷移率的測量。
    對于一般的MOSFET工作于高溫時(shí)，漏源電流Ids等于溝道電流Ich與泄漏電流Ir兩者之和，但當(dāng)其工作于常溫時(shí)，泄漏電流Ir急劇減小，近似為零，使得漏源電流Ids即為溝道電流Ich。因此，對于一般的MOSFET反型層載流子遷移率，可以根據(jù)測量線性區(qū)I—V特性求的。

3 總結(jié)
    綜上所述，本文共指出了七中載流子遷移率的測量方法，除此之外，還可采用漂移實(shí)驗(yàn)、分析離子擴(kuò)散、分析熱釋電流極化電荷瞬態(tài)響應(yīng)等方法進(jìn)行載流子遷移率的測量。