一種半導(dǎo)體多電學(xué)參數(shù)的自動化測試系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料與器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于在復(fù)雜環(huán)境下自動化 測量多種電學(xué)輸運參數(shù)的半導(dǎo)體多電學(xué)參數(shù)的自動化測試系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在研究半導(dǎo)體材料與器件的過程中，電學(xué)輸運測試是一種十分重要而且常用的研 究手段。通過改變溫度磁場等外界條件，可以研究樣品的電阻率、遷移率、載流子濃度等不 同輸運參數(shù)受外場的影響。
[0003] 然而，目前大部分精密電輸運測試系統(tǒng)的功能都比較單一，只能實現(xiàn)一種或少數(shù) 幾種電輸運特性的測試。如果需要測試現(xiàn)有系統(tǒng)所測電輸運特性之外的參數(shù)，則又需要重 新購置另外一整套系統(tǒng)，這樣既浪費了資金又需要重新花費精力去學(xué)習(xí)新系統(tǒng)的使用。
[0004] 僅以電阻測試為例，不同的樣品具有的電阻大小不同，其測試方法也不一樣，尤其 是阻值很低和阻值很高的電阻，都分別需要特殊的測試方法才能實現(xiàn)精確測試。而傳統(tǒng)的 輸運測試系統(tǒng)很少能同時兼顧超低阻和超高阻材料的精確測試。而且有些半導(dǎo)體的霍爾現(xiàn) 象不是很明顯，即使加很大的磁場所得到的霍爾電壓也不是很大，很容易被噪聲淹沒，這就 需要極其良好的屏蔽及接地，同時對儀器及測試導(dǎo)線進(jìn)行更加精密的加工，但即使這樣也 可能不能保證系統(tǒng)的精度效果。
[0005] 現(xiàn)有的精密電輸運測試系統(tǒng)的變溫測試均為手動控制的，比如在第一個溫度點下 測試完一系列參數(shù)之后，需要手動控制溫控儀將溫度改變到第二個溫度點，再進(jìn)行下一步 的測試。這樣如果需要測試很多溫度點，就會很耗時而且非常繁瑣。
[0006] 同樣的很少有系統(tǒng)能夠全自動地測試不同溫度，不同磁場下樣品的I-V曲線。而 且隨著現(xiàn)代電子器件尺寸的不斷縮小，其電輸運性能將受到量子效應(yīng)的影響，單次I-V曲 線的測試已經(jīng)不能滿足對電阻分析的需求，而需要其器件的I-V曲線在大量數(shù)據(jù)點上的斜 率，這就需要我們繪制微分電導(dǎo)圖。尤其是對低溫半導(dǎo)體器件來說，微分電導(dǎo)的測試尤為重 要，且不同的溫度、磁場或者光照等環(huán)境會影響器件的量子特性甚至自旋特性，從而導(dǎo)致微 分電導(dǎo)的變化。然而目前幾乎沒有能夠?qū)崿F(xiàn)自動化測試變溫微分電導(dǎo)或者變磁場微分電導(dǎo) 的測試的系統(tǒng)。
[0007] 更加重要的是，一般來說光照都會對樣品的電輸運特性產(chǎn)生非常巨大的影響，但 是由于低溫強(qiáng)磁場環(huán)境一般都是封閉的，所以目前幾乎沒有類似的變溫變磁場輸運系統(tǒng)能 夠在不同光照下精確研究樣品的電輸運特性。
[0008] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)中無法同時測試多種電輸運參數(shù)、測試操作過程復(fù)雜繁瑣以及 無法實現(xiàn)高精度自動化測量等缺陷，提出了一種半導(dǎo)體多電學(xué)參數(shù)的自動化測試系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明提出了一種半導(dǎo)體多電學(xué)參數(shù)的自動化測試系統(tǒng)，包括：測試環(huán)境調(diào)控單 元，其用以提供不同溫度、磁場和光照的測試環(huán)境；信號測試單元，其用以測試在所述測試 環(huán)境下被測樣品的電輸運參數(shù)；主控單元，其控制所述測試環(huán)境調(diào)控單元調(diào)節(jié)所述測試環(huán) 境，控制所述信號測試單元完成自動化測試以及處理分析上所述被測樣品的電輸運參數(shù)。
[0010] 本發(fā)明提出的半導(dǎo)體多電學(xué)參數(shù)的自動化測試系統(tǒng)中，所述信號測試單元包括： 電流源，其與所述被測樣品連接，用于提供測試過程中所述被測樣品的電流；納伏表，用于 測試所述測試信號的電壓；程控源表，其與所述被測樣品連接，用于測試超高電阻值以及所 述被測樣品的I-V曲線；多通道程控開關(guān)控制器，用于在測試過程中實現(xiàn)測量樣品信號引 腳的自動切換；所述樣品信號引腳與所述被測樣品連接；霍爾效應(yīng)卡，其設(shè)置在所述多通 道程控開關(guān)控制器的卡槽中，接口分別與所述電流源、所述納伏表、所述程控源表以及所述 被測樣品連接，用于信號隔離以及配合所述多通道程控開關(guān)控制器進(jìn)行所述樣品信號引腳 的自動切換。
[0011] 本發(fā)明提出的半導(dǎo)體多電學(xué)參數(shù)的自動化測試系統(tǒng)中，所述信號測試單元進(jìn)一步 包括遠(yuǎn)端前置放大器；所述程控源表通過所述遠(yuǎn)端前置放大器與所述被測樣品連接，使所 述程控源表可測試高達(dá)太歐姆數(shù)量級的電阻。
[0012] 本發(fā)明提出的半導(dǎo)體多電學(xué)參數(shù)的自動化測試系統(tǒng)中，進(jìn)一步包括：所述霍爾效 應(yīng)卡通過三軸屏蔽線與所述電流源、所述納伏表及所述程控源表連接；所述霍爾效應(yīng)卡通 過BNC線與所述樣品信號引腳連接。
[0013] 本發(fā)明提出的半導(dǎo)體多電學(xué)參數(shù)的自動化測試系統(tǒng)中，所述測試環(huán)境調(diào)控單元包 括液氦磁光裝置、光源裝置、超導(dǎo)磁體電流源與溫控儀；所述液氦磁光裝置與所述超導(dǎo)磁體 電流源和所述溫控儀連接，所述光源裝置正對于所述液氦磁光裝置設(shè)置；所述超導(dǎo)磁體電 流源110與所述溫控儀111與所述主控單元連接。
[0014] 本發(fā)明提出的半導(dǎo)體多電學(xué)參數(shù)的自動化測試系統(tǒng)中，所述液氦磁光裝置設(shè)有樣 品倉、超導(dǎo)磁體與加熱器；所述樣品倉中設(shè)有窗片，所述樣品倉中容納所述被測樣品；所述 光源裝置的光線透過所述窗片照射在所述被測樣品上形成光照，所述超導(dǎo)磁體電源通過所 述超導(dǎo)磁體在所述樣品倉中形成磁場，所述溫控儀通過所述加熱器控制所述樣品倉內(nèi)的溫 度。
[0015] 本發(fā)明提出的半導(dǎo)體多電學(xué)參數(shù)的自動化測試系統(tǒng)中，所述主控單元通過GPIB 板卡與所述測試環(huán)境調(diào)控單元和所述信號測試單元連接，所述主控單元通過程序自動控制 所述信號測試單元進(jìn)行自動測試。
[0016] 本發(fā)明具有如下有益效果：
[0017] 本發(fā)明可進(jìn)行變光照、變溫度、變磁場下多種輸運參數(shù)的測試，例如電阻、磁阻、霍 爾效應(yīng)和IV曲線等參數(shù)的自動化測試，以及程控自動化測試變溫、變磁場下的微分電導(dǎo) 譜。
[0018] 本發(fā)明采用了霍爾效應(yīng)卡和多通道程控開關(guān)，可以通過程序控制自動實現(xiàn)引腳的 切換測試。并且提出一種改進(jìn)的范德堡測試方法，可以提高測試精度，降低對系統(tǒng)屏蔽和接 地性能的要求。
[0019] 本發(fā)明利用電流源、納伏表、亞fA程控源表等精密儀器，可精確提供皮安級別的 恒定電流以及獲得納伏級別的電阻電壓和霍爾電壓。此外，本發(fā)明通過結(jié)合使用電流源、納 伏表自動進(jìn)行Delta測試，可用于精確測試低至InQ的超低電阻值。
[0020] 本發(fā)明的屏蔽措施良好，測試結(jié)果精確性。使用亞fA程控源表，結(jié)合遠(yuǎn)端前置放 大器和樣品桿，可以精確測試高達(dá)1TQ的超高電阻阻值。
[0021] 本系統(tǒng)的變溫、變磁場測試都是由程序控制自動。測試數(shù)據(jù)經(jīng)過程序內(nèi)部的虛擬 儀器進(jìn)行必要的信號處理與采集后，結(jié)果自動保存成設(shè)定格式的電子文檔，自動顯示需要 的參數(shù)圖像。
[0022] 本發(fā)明可以直接將可見-近紅外光通過窗片射入到樣品倉中，能研究復(fù)雜環(huán)境 (包括深低溫強(qiáng)磁場）下不同光照對樣品輸運特性的影響，也能夠研究復(fù)雜環(huán)境下的光生 載流子特性。并且樣品與光源完全隔離，可以忽略光源發(fā)熱對樣品的影響。
【附圖說明】
[0023] 圖1表示本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0024] 圖2表示樣品桿結(jié)構(gòu)圖。
[0025] 圖3表示范德堡測試結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 圖4表示改進(jìn)的范德堡霍爾測試原理圖。
[0027] 圖5表示納伏表的"滑動式濾波"和"重復(fù)型濾波"技術(shù)的堆棧示意圖。
[0028] 圖6表不本系統(tǒng)中微分電導(dǎo)測試原理的不意圖。
[0029] 圖7表示變磁場范德堡測試程序流程圖。
[0030] 圖8表示變溫I-V曲線測試流程圖。
[0031] 圖9表示變磁場微分電導(dǎo)譜測試程序流程圖。
【具體實施方式】
[0032] 結(jié)合以下具體實施例和附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。實施本發(fā)明的過程、 條件、實驗方法等，除以下專門提及的內(nèi)容之外，均為本領(lǐng)域的普遍知識和公知常識，本發(fā) 明沒有特別限制內(nèi)容。
[0033] 參閱圖1，本發(fā)明半導(dǎo)體多電學(xué)參數(shù)的自動化測試系統(tǒng)，其包括測試環(huán)境調(diào)控單 元、信號測試單元與主控單元。測試環(huán)境調(diào)控單元為被測樣品提供不同光照、磁場和溫度的 測試環(huán)境，信號測試單元為被測樣品提供測試信號進(jìn)行測試，并且采集經(jīng)測試后被測樣品 的電輸運參數(shù)，主控單元與測試環(huán)境調(diào)控單元和信號測試單元連接并建立數(shù)據(jù)傳輸，主控 單元為處理器，其能夠控制測試環(huán)境調(diào)控單元自動化調(diào)節(jié)測試環(huán)境的光照、磁場和溫度，以 及控制信號測試單元自動化測試被測樣品的電輸運參數(shù)，并且對電輸運參數(shù)進(jìn)行分析得到 其結(jié)果。
[0034] 以下介紹本發(fā)明中的測試環(huán)境調(diào)控單元，測試環(huán)境調(diào)控單元包括液氦磁光裝置 108、光源裝置113、超導(dǎo)磁體電流源110與溫控儀111。測試環(huán)境調(diào)節(jié)單元的測試環(huán)境的溫 度可從2K至300K，磁場范圍可從0至10T，磁場強(qiáng)度變化速率可達(dá)1特斯拉/分鐘。其中， 溫控儀111使用ITC503。
[0035] 本系統(tǒng)所有控制及測量程序均使用美國國家儀器公司的Labview軟件編寫。
[0036] 液氦磁光裝置108采用牛津儀器的SpectromagSM4000,其設(shè)有樣品倉802、超導(dǎo) 磁體與加熱器；樣品倉802中設(shè)有窗片801，樣品倉802中容納被測樣品；光源裝置113的 光線透過窗片801照射在被測樣品4上形成光照。通過設(shè)置不同類型的窗片801，從而選擇 透過的光線的波長，選擇對應(yīng)波長的光線照射到被測樣品上從而調(diào)節(jié)測試環(huán)境的光照。
[0037] 在使用中，液氦杜瓦向液氦磁光裝置108中通入液氦在液氦磁光裝置108的樣品 倉802內(nèi)形成低溫的環(huán)境，同時使超導(dǎo)磁體工作在其中形成超導(dǎo)。溫控儀111通過加熱器 (例如，電阻加熱器）控制在樣品倉802內(nèi)產(chǎn)生熱量，控制樣品倉802內(nèi)的溫度。溫控儀 111受主控單元的控制，主控單元可以自動化調(diào)節(jié)溫控儀111，從而在被測樣品的測試環(huán)境 (即，樣品倉802內(nèi)）的溫度。
[0038] 超導(dǎo)磁體電源110為IPS120,其受主控單元控制，超導(dǎo)磁體電源110通過超導(dǎo)磁體 在樣品倉802中形成磁場，并在主控單元的控制下可自動化調(diào)節(jié)磁場的強(qiáng)度。
[0039] 以下介紹本發(fā)明中的被測樣品。被測樣品根據(jù)不同需求可以制作成不同的形狀。 當(dāng)需要測試被測樣品電輸運參數(shù)中的電阻率、霍爾系數(shù)、載流子濃度，遷移率等基本參數(shù) 時，使用范德堡法對被測樣品進(jìn)行測試，雖然范德堡法對被測樣品形狀