基于電容充放電原理的半導(dǎo)體電阻率測(cè)繪儀及測(cè)繪方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半絕緣半導(dǎo)體材料電學(xué)參數(shù)測(cè)試研究領(lǐng)域，特別涉及一種基于電容充放電原理的半導(dǎo)體電阻率測(cè)繪儀及測(cè)繪方法。
【背景技術(shù)】
[0002]半絕緣半導(dǎo)體是繼第一代半導(dǎo)體材料Si后發(fā)展起來(lái)的第二代半導(dǎo)體材料GaAs、InP和第三代半導(dǎo)體材料，如SiC、GaN,具有寬帶隙、高臨界擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo)率、高載流子飽和濃度、抗輻射能力強(qiáng)、介電常數(shù)小等特點(diǎn)，適合于制備高溫、高頻、大功率的電子器件及性能優(yōu)異的微波、光電器件，具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]對(duì)于任何半導(dǎo)體物質(zhì)的研究，電阻率都是一個(gè)非常重要的依據(jù)，是研發(fā)、生產(chǎn)過(guò)程中必須測(cè)量的重要的基本電學(xué)參數(shù)。整塊(錠)或整片半導(dǎo)體晶體材料的電阻率分布情況可完整真實(shí)地反映材料的質(zhì)量。
[0004]現(xiàn)行常用的半導(dǎo)體材料測(cè)試方法主要有霍爾法和范德堡法，這兩種方法均需要對(duì)樣品切割得到特定形狀的樣片，并需制備歐姆接觸，測(cè)量周期長(zhǎng)。對(duì)于GaAs這些半導(dǎo)體物質(zhì)利用霍爾法測(cè)試其電阻率雖然不便，但仍是可行的，因?yàn)樵谶@些物質(zhì)上制作歐姆接觸不存在問(wèn)題。然而對(duì)于SiC這類第三代半導(dǎo)體材料來(lái)講，半導(dǎo)體電阻率均大于105Ω._，常見(jiàn)雜質(zhì)在SiC中的擴(kuò)散系數(shù)極低，在合金化的過(guò)程中幾乎不可能像S1、GaAs等半導(dǎo)體那樣靠合金中的摻雜劑摻入來(lái)提高界面的摻雜濃度，這就給歐姆接觸的形成帶來(lái)了很大的困難，使得利用霍爾法測(cè)試SiC單晶電阻率變得十分困難。此外，目前常用的電阻率測(cè)試方法，如直流四探針?lè)ê蜏u流法更無(wú)法對(duì)SiC、GaN進(jìn)行有效的測(cè)量。
[0005]因此，需要提供一種非接觸的、價(jià)格較便宜的半絕緣半導(dǎo)體電阻率測(cè)繪儀及測(cè)繪方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于電容充放電原理的半導(dǎo)體電阻率測(cè)繪儀，該測(cè)繪儀可實(shí)現(xiàn)半絕緣半導(dǎo)體材料的電阻率分布式測(cè)量，直觀且準(zhǔn)確地反映材料的整體性能。
[0007]本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于上述半導(dǎo)體電阻率測(cè)繪儀的測(cè)繪方法，該方法具有操作簡(jiǎn)單、控制精確、結(jié)果準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。
[0008]本發(fā)明的目的通過(guò)以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):基于電容充放電原理的半導(dǎo)體電阻率測(cè)繪儀，包括:三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、樣品臺(tái)、檢測(cè)探頭、數(shù)據(jù)采集卡、控制裝置、氮?dú)夤?yīng)系統(tǒng)、脈沖電壓發(fā)生電路，樣品放置在樣品臺(tái)上，所述樣品臺(tái)為金屬平臺(tái)，所述三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)用于控制檢測(cè)探頭定位到樣品上每個(gè)需要測(cè)試的點(diǎn)位置的上方，所述脈沖電壓發(fā)生電路向樣品臺(tái)施加低壓脈沖信號(hào)，所述檢測(cè)探頭包括采樣電極、采樣電路、氮?dú)廨斔屯ǖ溃霾蓸与姌O一端為探測(cè)面，設(shè)置在樣品的正上方，另一端通過(guò)屏蔽電纜與采樣電路相連，采樣電路通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡與控制裝置相連；在測(cè)試時(shí)，氮?dú)夤?yīng)系統(tǒng)輸送氮?dú)獾降獨(dú)廨斔屯ǖ?，氮?dú)鈴牡獨(dú)廨斔屯ǖ赖牡獨(dú)鈬娚淇讎姵?，使采樣電極與樣品之間充滿氮?dú)庖孕纬杀Ｗo(hù)層；所述控制裝置用于根據(jù)采樣電極采集的每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的電荷變化的弛豫時(shí)間計(jì)算出樣品電阻率。本發(fā)明中，當(dāng)樣品臺(tái)被施加低壓脈沖信號(hào)后，相當(dāng)于不斷地對(duì)樣品臺(tái)、樣品及采樣電極進(jìn)行充放電，樣品臺(tái)、樣品、采樣電極三者在電路上等效為兩個(gè)電容與一個(gè)電阻的串并聯(lián)電路，通過(guò)采樣電極對(duì)樣品上每個(gè)需要測(cè)試的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，再結(jié)合三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的掃描，可以得到整個(gè)樣品上電阻率的分布。
[0009]優(yōu)選的，所述檢測(cè)探頭還包括一金屬套環(huán)外殼，其中心開(kāi)有一用于放置采樣電極的通孔，采樣電極和金屬套環(huán)外殼之間使用一絕緣管隔開(kāi)，所述金屬套環(huán)外殼的底部平面與采樣電極的探測(cè)面處于同一平面；所述氮?dú)廨斔屯ǖ涝O(shè)置在所述通孔的一側(cè)，氮?dú)廨斔屯ǖ酪欢送ㄟ^(guò)氮?dú)夤?yīng)接口與氮?dú)夤?yīng)系統(tǒng)連接，另一端通過(guò)氮?dú)鈬娚淇讓⒌獨(dú)鈬娚涞讲蓸与姌O與樣品之間。
[0010]更進(jìn)一步的，所述采樣電極采用直徑I?2mm、長(zhǎng)20?30mm的紫銅棒，采樣電極一端為探測(cè)面，具有相對(duì)樣品臺(tái)表面小于I μπι的平面度，另一端通過(guò)屏蔽電纜連接到采樣電路的輸入接口，采樣電極與屏蔽電纜通過(guò)焊接固定；所述樣品上表面和采樣電極探測(cè)面之間距離在0.05?0.2mm。
[0011 ] 更進(jìn)一步的，所述絕緣薄管為聚四氟乙烯塑料管。
[0012]更進(jìn)一步的，所述檢測(cè)探頭還包括采樣電路供電接口、采樣電路信號(hào)輸出接口、氮?dú)夤?yīng)接口，所述采樣電路供電接口、采樣電路信號(hào)輸出接口、氮?dú)夤?yīng)接口分別與電源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡、氮?dú)夤?yīng)系統(tǒng)連接；所述檢測(cè)探頭采用T形結(jié)構(gòu)，上部用于放置采樣電路、采樣電路供電接口、采樣電路信號(hào)輸出接口、氮?dú)夤?yīng)接口，下部用作金屬套環(huán)外殼。這樣可以盡量縮短采樣電極與采樣電路的距離，減少檢測(cè)信號(hào)的損耗。
[0013]優(yōu)選的，所述樣品臺(tái)與脈沖電壓發(fā)生電路之間、采樣電路與數(shù)據(jù)采集卡之間、數(shù)據(jù)采集卡與控制裝置之間均通過(guò)屏蔽電纜連接，屏蔽電纜的屏蔽層接地。
[0014]優(yōu)選的，所述三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)包括運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、掃描運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，所述運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)分別與控制裝置、掃描運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)連接；所述掃描運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、Y軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、Z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軌安裝支架、探頭支架，其中X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括X軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)和X軸直線導(dǎo)軌，Z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括Z軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)和Z軸導(dǎo)軌，所述導(dǎo)軌安裝支架固定在操作平臺(tái)上，X軸直線導(dǎo)軌兩端分別固定在導(dǎo)軌安裝支架上，所述Z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置在X軸直線導(dǎo)軌上的滑塊上，所述探頭支架設(shè)置在Z軸導(dǎo)軌上，所述檢測(cè)探頭固定在探頭支架上，檢測(cè)探頭的中軸線始終垂直于樣品臺(tái)；所述Y軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置在操作平臺(tái)上，包括Y軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)、Y軸直線導(dǎo)軌和Y軸直線光桿滑軌，Y軸直線導(dǎo)軌和Y軸直線光桿滑軌保持平行，樣品臺(tái)安裝在Y軸直線導(dǎo)軌的滑塊上。
[0015]更進(jìn)一步的，所述X軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)、Y軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)、Z軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)均采用直流無(wú)刷伺服電機(jī)，X軸直線導(dǎo)軌、Y軸直線導(dǎo)軌均采用同步帶直線導(dǎo)軌，Z軸導(dǎo)軌采用滾珠絲杠導(dǎo)軌。直流無(wú)刷伺服電機(jī)本身能產(chǎn)生脈沖，采用這類電機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)比較發(fā)送出去的脈沖數(shù)與接收到的電機(jī)產(chǎn)生的脈沖數(shù)，可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)精確定位。
[0016]優(yōu)選的，在所述樣品臺(tái)下方還設(shè)有一用于在測(cè)試時(shí)固定待測(cè)樣品的樣品吸附系統(tǒng)，包括真空負(fù)壓栗、吸盤、排氣電磁閥、氣管、三通連接頭，所述樣品臺(tái)上設(shè)有吸附孔，吸盤設(shè)在該吸附孔的下方，吸盤與樣品臺(tái)之間設(shè)有密封圈，吸盤、真空負(fù)壓栗進(jìn)氣口、排氣電磁閥三者分別通過(guò)氣管與三通連接頭連接。測(cè)試開(kāi)始前樣品處于被吸附狀態(tài)，測(cè)試完成后樣品被釋放。
[0017]優(yōu)選的，所述測(cè)繪儀還包括一繼電器開(kāi)關(guān)系統(tǒng)，所述氮?dú)夤?yīng)系統(tǒng)、樣品吸附系統(tǒng)均通過(guò)該繼電器開(kāi)關(guān)系統(tǒng)與控制裝置相連。這樣可以由控制裝置統(tǒng)一對(duì)氮?dú)夤?yīng)系統(tǒng)、樣品吸附系統(tǒng)進(jìn)行控制，確保在每次測(cè)量開(kāi)始前氮?dú)獬錆M測(cè)量區(qū)域，樣品被牢牢固定在樣品臺(tái)上，測(cè)量完成后停止供應(yīng)氮?dú)猓瑫r(shí)樣品被釋放。
[0018]更進(jìn)一步的，所述氮?dú)夤?yīng)系統(tǒng)包括氮?dú)馄?、壓力表、供氣電磁閥、接頭，所述接頭通過(guò)管路與檢測(cè)探頭中的氮?dú)夤?yīng)接口相連，供氣電磁閥與繼電器開(kāi)關(guān)系統(tǒng)相連，壓力表設(shè)置在氮?dú)馄颗c供氣電磁閥之間的管路上。
[0019]優(yōu)選的，所述測(cè)繪儀包括主機(jī)柜和屏蔽罩，所述氮?dú)夤?yīng)系統(tǒng)、控制裝置、脈沖電壓發(fā)生電路以及測(cè)繪儀所用的電源系統(tǒng)均設(shè)置在主機(jī)柜中，屏蔽罩設(shè)置于主機(jī)柜頂部，采用活頁(yè)及氣彈簧支撐桿與主機(jī)柜連接，屏蔽罩在測(cè)試過(guò)程中始終覆蓋整個(gè)操作平臺(tái)。以確保樣品在測(cè)試過(guò)程中不受外界光線及電磁波影響。
[0020]優(yōu)選的，所述控制裝置還與一顯示器連接。該顯示器用于人機(jī)交互，可以用于顯示測(cè)試軟件界面及測(cè)試結(jié)果。
[0021]基于上述半導(dǎo)體電阻率測(cè)繪儀的測(cè)繪方法，包括:三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)將檢測(cè)探頭定位到樣品上需要測(cè)試的點(diǎn)位置的上方；脈沖電壓發(fā)生電路向樣品臺(tái)施加低壓脈沖信號(hào)，氮?dú)夤?yīng)系統(tǒng)向采樣電極與樣品之間的區(qū)域噴射氮?dú)?；采樣電極探測(cè)樣