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)則的熱運動，當(dāng)外加電壓時，導(dǎo)體內(nèi)部的載流子受到電場力作用，做定向運動形成電流，即漂移電流，定向運動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)電能力的強弱，而且還直接決定著載流子運動的快慢。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。事實上，載流子在其熱運動的過程中，不斷地與晶格、雜質(zhì)、缺陷等發(fā)生碰撞，無規(guī)則的改變其運動方向，即發(fā)生了散射。無機晶體不是理想晶體，而有機半導(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)渡越時間(TOP)法

渡越時間(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，通過透明電極激勵樣品產(chǎn)生薄層的電子一空穴對?？昭ū焕截撾姌O方向，作薄層運動。設(shè)薄層狀況不變，則運動速度為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)，此時下電極上將因載流子運動形成感應(yīng)電流，且隨時間增加。在t時刻有：

若式中L為樣品厚度電場足夠強，t≤τ，且渡越時間t0<τ。則

在t0時刻，電壓將產(chǎn)生明顯變化，由實驗可測得，又有

式中L、V和t0皆為實驗可測量的物理量，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)生一個正比于電流和磁感應(yīng)強度的電勢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)可以計算得出電流密度、電場垂直漂移速度分量等，以求的R，進而確定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的樣品的時間，進而可確定材料的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)動載流子沿著聲表面波傳輸方向移動，設(shè)置在樣品上兩個分開的電極檢測到聲一電流或電壓，表達式為

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。