一种用于CELIV测量的瞬态电流修正方法

一种用于celiv测量的瞬态电流修正方法
技术领域
1.本发明涉及一种电流测量方法，尤其涉及一种用于celiv测量的瞬态电流修正方法。


背景技术：

2.半导体材料与器件领域的研发一直都有着较快的发展。半导体中载流子的输运能力是影响半导体器件性能的一个至关重要的因素。而迁移率则是反映半导体中载流子电学性能的主要参数。它对半导体器件的工作速度和高频特性等有直接的影响，因此载流子迁移率的测量是半导体材料研究中的重要内容。
3.至今出现了多种测量迁移率的方法，其中应用比较多的有霍尔效应法、飞行时间法（tof）、线性增压载流子抽取瞬态法（celiv）等，各种方法都有着各自的优缺点。其中celiv测量系统的构成和操作较为简单和低成本，是一种新的针对低电导率材料的测量技术。后来又发展出photo-celiv和i-celiv（injected-celiv）等方法，通过光照或人工注入的方法来提高载流子数量和电流从而测得迁移率。经过20多年的发展，celiv技术已成为了目前测有机半导体材料载流子迁移率的一个重要手段。在其实际测量中因涉及到瞬态过程，需要消除电路分布参数和一些交流阻抗的影响来提高测量的准确性。一般的解决方法是通过选取足够小的电路r、c参数来实现，其他方法未见文献资料记载。
4.现有解决方法严格讲是一种近似，得到的瞬态电流结果存在一定的系统误差和不准确问题；如何选取r、c参数给不同样品的测量带来了不方便。其导致的主要原因在于，因测量对象是电流瞬态谱，必须考虑测量电路的瞬态特性，因此，测量电路rc参数的选取不当是一个重要的误差来源，现在的一般方法就是要求整个电路选取足够小的r、c参数，但由于电路中分布电容和仪器的一些输入阻抗是不可避免且难以明确的，而且取样电阻值太小又会引起取样电压信噪比太弱而容易被干扰和引入误差，因此这个解决方法有时难以满足实际要求，存在局限性，导致瞬态电流测量结果有准确性的问题。另外，随着样品的差异，测量所加偏压随时间上升速率经常需要改变，原来采用的r、c参数可能变得不太合适，也要做相应的调整，这些都会给测量带来了误差和操作的不方便。


技术实现要素：

5.本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种用于celiv测量的瞬态电流修正方法。可在不对电路r、c参数做严格要求的基础上，通过等效电路和半导体理论得到修正公式和测量方法的改进，实现对测量电流结果进行合理修正。
6.为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种用于celiv测量的瞬态电流修正方法，包括以下步骤：s1：使用波形信号发生器与采样电阻、标准电阻、数字存储示波器构成电流采样电路；s2：使所述波形信号发生器输出斜率为a的线性增加电压，所述数字存储示波器记
录所述采样电阻上的电压随时间变化曲线v1~t；s3：对所述电压随时间变化曲线v1~t进行非线性拟合，得到采样电阻和示波器输入电阻的并联值r及与取样电阻并联的电容c；s4：将所述标准电阻替换成肖特基二极管结构样品，再次由数字示波器测得线性反偏电压下取样电阻上的电压随时间变化曲线v1~t，计算出各个时刻的变化率dv1/dt；s5：所述波形发射器输出阶梯直流电压，由所述数字示波器读取的采样电阻电压结合牛顿插值法得出不同反偏电压下样品的漏电流i
l
；s6：计算通过样品的电流随时间变化曲线i(t)，由下式修正为该线性电压下的celiv瞬态电流曲线ir(t)，获得峰值对应的时间tm其中，右边第二项为修正项，dv1/dt是示波器读数v1的时间变化率；d和s各代表半导体层的厚度和横截面积；并通过下式获得半导体迁移率的测量结果：。
7.其中，所述s3和s6还包括通过下式计算通过所述标准电阻或样品的电流：。
8.其中，所述s6还包括通过下式计算v1(t)时通过所述样品的电流密度：其中为被测材料电导率，ed为半导体内部电中性区电场，l=l(t)为载流子被偏压电场抽取形成的电荷耗尽层宽度。
9.实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明提出了测量的等效电路，并在测量过程中增加了校准步骤，通过电路瞬态方程对已知电阻作为样品时电流（压）的测量结果进行拟合，获得取样电路阻抗和分布电容值，从而可以进一步对celiv瞬态电流测量进行校正，得到通过样品的准确电流值，而不是通常采用的只通过采样电阻上的电压除以采样电阻值来得到通过样品的瞬态电流，也降低了对测量电路r、c参数的严苛要求；根据celiv测量原理，推算得出了瞬态电流的公式，并据此修正了采样电阻压降和测量电路r、c参数的影响，得到正常的存在明显峰位变化的瞬态电流曲线，从而可以根据电流峰值时间和半导体厚度以确定电场漂移迁移率μ。
附图说明
10.图1是本发明的测量系统；
图2是半导体层内的电场分布示意图；图3是样品在偏压上升斜率21.73 mv/ns条件下，由取样电阻电压直接得到的电流（v1/rs）以及经修正后的瞬态电流ir曲线示意图。
具体实施方式
11.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
12.建立测量系统如图1，由一台afg-2225任意波形信号发生器、一台gds-2104数字存储示波器、带夹具样品座以及电脑构成。样品为一肖特基结构二极管。从电脑的arbitrary waveform software-v3220上设置线性增加的锯齿电压波形，并将其传送到波形发生器中，通过波形发生器来控制输出偏压的大小和上升斜率a的值。用示波器观察和记录取样电阻上的电压信号和信号发生器输出的偏压波形，然后通过freewave3-v323软件将信号数据记录在电脑上。
13.实验样品为肖特基结构二极管，当使用示波器来测量样品电流时，按照一般方式直接利用示波器电压读数除以采样电阻值得到电流的方式会有明显的误差。因为从图1等效电路可以看到，通过样品的电流应该包括流经采样电阻和分布电容及示波器内部阻抗几部分，只考虑采样电阻电流是有偏差的，这种影响在随时间快速变化的瞬态电流测量上会更加明显。
14.为了得到示波器的内部电阻r1、分布电容c以及示波器输入电缆分布电感l参数的具体数值，本方法增加了一个预测量校准步骤，将肖特基二极管替换为一已知阻值的电阻r2（本例），这样通过被测样品的总电流被分为两部分，一部分是流经采样电阻rs的电流is，另一部分i1通过输入电缆与示波器。因此总电流i有如下表达式：(1)因为采样电阻上电压vs=at-ir2=l(di1/dt) v1, i1= cdv1/dt v1/r1，其中v1、vs为示波器读数和采样电阻rs（本例330ω）上的电压，r1是示波器的输入电阻，a是信号源输出线性上升电压的上升速率。由于实验中所用的电缆长度较短，其电感的影响可以忽略。将v1=at-i(t)r2代入（1）得：
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(2)积分得：
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(3-1)通过上式有
v1=at-(3-1式)
•
r2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3-2)根据此方程对示波器获取的v1~t数据进行非线性拟合便可得到分布电容c，电阻r和i，电容c包括了连接电缆分布电容和示波器输入电容，r是采样电阻rs与示波器输入电阻r1的并联值,本例中得到的c和r分别是 1.17
×
10-10
f和319.19ω，与采用rlc电表的实际测量值一致。将它们用于电流的校准中，可得到通过样品的电流应为：
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(4)另一方面，由于在测量时增加了一个采样电阻，信号源输出的线性增加电压at并没有全部加载在样品上，这与celiv理论上要求的电压全部加载在样品上是不同的，这也是产生误差的一个重要因素。在此实际情况并忽略漏电流条件下推知v1(t)时反偏肖特基二极管结构样品的电流密度：（5）其中为被测材料电导率，ed为半导体内部电中性区电场，l=l(t)为载流子被偏压电场抽取形成的耗尽层宽度。(5)式的推算过程如下（结合图1和2）：at-v
1-ф=v2（6）左边第三项ф是接触电势，v2是半导体层压降。由图2显示的半导体层内的电场分布可知v2=edd (l2/2)(en/εε0)
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（7）en是耗尽区内电荷密度，n代表电离杂质浓度，εε0是半导体材料介电常数。
15.根据泊松方程，耗尽区内电场分布：（8）由（6）（7）式得
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(9)所以通过样品的电流密度（10）
其中。由半导体层截面积s，有js=i-i
l
=(4式)-漏电流。进一步通过下式修正得到没有采样电阻压降情况下的celiv瞬态电流曲线ir：（11）其中右边第二项为修正项，dv1/dt是示波器读数v1的时间变化率,本例中εε0s/d=2.97pf。
16.将标准电阻替换成二级管结构样品，由数字示波器测得线性电压下取样电阻上的电压随时间变化曲线v1~t，计算出各个时刻的变化率d(v1)/dt；计算通过样品的电流随时间变化曲线i(t)，根据celiv理论，通过修正得到的ir（t）曲线，可以读取电流峰值对应的时间tm，采用celiv测量的常用公式获得载流子电场漂移迁移率：（12）本发明在考虑电路分布电容和示波器输入阻抗的基础上，提出了测量的等效电路，并在测量过程中增加了校准步骤，通过电路瞬态方程对已知电阻作为样品时电流的测量结果进行拟合，获得取样电路的阻抗和分布电容值，从而可以进一步对celiv瞬态电流的测量结果进行修正，从原理和方法上提高了测量电流的准确性，从而使迁移率测量结果更可靠，而不是现有技术中只简单地通过采样电阻上的电压得到电流值，也降低了现用技术对测量电路r、c参数的严苛要求和选取rc参数带来的不方便。
17.以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。