2022-12-21 09:23:46 由 yihong 发表
可变温度电容测量可用于近似固态耗尽区的电荷分布，但依赖于精确的温度相关校准。Lake Shore CRX-4K 探针台、高温台、参数探针和 对于 30 pF 的电容器，在 600 K 下运行的 Keysight B1500A 在将近 40 分钟内显示小于 0.1%。 测量漂移归因于校准后探头中的温度漂移。 由此产生的校准用于确认超宽带隙二极管在多个温度下的掺杂密度。
介绍
电容-电压 (C-V) 和电容-频率 (C-F) 测量是常用且功能强大的工具，用于表征电子材料和固态电子设备中的电荷和电荷动态。 电容是电荷存储的量度，定义如下：
C-V 测量可用于解析电荷，并可用于近似作为深度函数的电离掺杂剂密度，空间分辨率为几个德拜长度 。 可变温度 C-V 测量允许人们将电荷分布近似为温度的函数，并找到掺杂剂/缺陷电离能和高本征载流子浓度的开始。 变温 C-F 测量提供了对损耗机制及其相对时间常数的深入了解。广泛的温度表征可用于材料质量和可靠性测试、低温冷却探测器和电子设备，研究高温性能 宽和超宽带隙（WBG 和 UWBG）材料和器件，以及许多其他领域。
使用 Keysight B1500A 和 Lake Shore C-V 探测套件，双端 C-V 测量通常在 Lake Shore CRX-4K 探针台中从 4 K 到 350 K 进行。 C-V 探测套件具有低温兼容参数探头，允许两个探头的屏蔽在 DUT 附近短接在一起——完成屏蔽路径并创建更精确的电容测量。 通过增加高温阶段，CRX-4K 站的设备温度升高到 675 K； 然而，同时使用参数探头和高温阶段会阻止辐射屏蔽盖安装在实验空间上。在这项工作中，辐射屏蔽盖被移除（图 1A）以适应参数探头的高度。 没有辐射屏蔽盖，高温阶段的基础温度从低于 20 K 升高到大约 23 K。
校准
C-V 测量通常在 1 MHz [1] 下进行，并且需要校准以实现高灵敏度。 电缆、探针和探针台本身创建了一个寄生电路元件网络，使测量参考平面远离设备，如图 1C 所示。 Keysight B1500A 内置的校准程序使用短路负载和开路负载的测量将测量平面从外部参考平面移回内部参考平面。此校准对于精确解析数十皮法或更小的电容至关重要 . 校准通常通过使用短路标准或通过将探针在导电垫（例如，图 1B 中所示的 UWBG 二极管上的金属垫）上短接在一起并通过将探针提升到电路上方以创建开路来执行。 然后探头落在样品上进行测量。 然而，与探头相关联的寄生电路元件具有与温度相关的值。 着陆探头允许样品和探头之间快速传热，加热探头，改变寄生元件，并导致校准偏移。 校准稳定性差会损害测量精度和可重复性。
图 1：(A) Lake Shore CRX-4K 探针台，带参数探针，无辐射屏蔽； (B) UWBG Al0.7Ga0.3N 二极管，附近有探针；(C) 方框图显示了外在平面和内在平面之间的差异
在 CRX-4K 探针台中在 600 K 下分析了校准稳定性。 Keysight B1500A 在时间 t = 0 时进行了校准。定期对 30 pF UWBG 圆形二极管进行 1 MHz C-F 测量约 40 分钟。 将时间 t = 0 后测得的电容与后来测得的电容进行比较； 与比率 1.00 的显着偏差表明校准随着探头温度的变化而显着漂移。 结果研究针对 ~1 K 探针臂温度变化（图 2A）和~15 K 探针臂温度变化（图 2B）进行。
图 2：(A) ~1 K 漂移和 (B)~15 K 漂移随温度升高的校准漂移； 校准漂移大约为 0.05% (A) 和 0.1% (B)，表明在 40 分钟的测量中漂移最小
两种情况下的校准漂移都发生在探头臂温度发生最大变化期间，并且即使在近 40 分钟的测量之后，也大约为 0.1% 或更小。 在图 2A 和 2B 中，电容在探针臂温度开始稳定后收敛，并且任何额外的漂移都与温度变化密切相关。 该漂移约为 15 fF，对于此处研究的二极管来说很小。 然而，15 fF 的偏移会使现代硅 FET 的电容几乎无法测量。 对于极其敏感的高温 C-V 和 C-F 测量，我们建议让探头与设备表面接触，以使探头达到热平衡。 执行开路和短路校准并立即进行必要的测量以避免小的漂移。
近似掺杂浓度
UWBG 固态电子设备的一个关键优势是它们的低本征载流子浓度，这使得设备在高温下能够保持在外本征载流子状态。 C-V 测量使用直流电压偏置来调制耗尽区的宽度。 随后的 C-V 测量测量耗尽区边缘的电荷增量。 通过逐步通过各种直流偏置并测量电容，可以计算电荷密度的大小作为耗尽区深度的函数。 电荷密度可以通过找到：
在等式 2 中，是电子电荷，是半导体介电常数。 (2) 中的数值导数将测量精度降低一个数量级，并可能导致噪声估计。 因此，仔细测量和良好校准对于准确解析电荷分布是必不可少的，特别是对于小电容。 直流偏置可以通过转换为深度（其中 A 是器件或材料面积）：
C-V 电荷深度分析用于估计图 1B 中所示的 UWBG 二极管的掺杂密度。 在每个温度下单独校准后获取 C-V 曲线，如图 3A 所示。 插图显示了测得的电容和分流电导（通常也用电容测量）的 Q 因子，对于可靠的测量，它应该大于 5。 图 3B 显示了预期掺杂密度为 1018 cm-3的 n 型 UWBG 层的变温近似电离受体密度。
图 3：(A) 使用（插图）分流器 Q 和推荐的品质因数进行可变温度 C-V 测量； (B) 从面板 A 中提取的电荷深度剖面
图 3B 表明，在 300 K 及以上的温度下，掺杂密度最接近 1018 cm-3。 在 225 K 下进行的测量显示载流子浓度略有降低，表明一些杂质状态已开始冻结。 在 23 K 下进行的测量（图 3A 中的海军色迹线）位于图 3B 的范围之外，因为杂质不再完全电离，将二极管推出外部载流子状态。
概括
我们探索使用 Lake Shore CRX-4K 探针台、参数探针和高温阶段选项进行 C-V 和 C-F 测量。 仔细的电容校准显示在 600 K 下约 40 分钟内漂移小于 0.1%，即使测量探头尖端温度波动很大。 由此产生的校准用于确认 UWBG 二极管在各种温度下的掺杂密度。
