专利解读元器件大作业

专利解读专利名称：一种电子元器件微小区域电容值的检测系统专利申请号：201110078204.3该发明属于电子元器件测试用仪器中的电子元器件微小区域电容值的检测系统；包括原子力显微镜(AFM)及用于加载电信号的交流/直流电源，电流前置放大器，带通滤波器，锁相放大器、数据采集卡及与之连接的计算机，以及带可调电容及移相器的移相电路。该发明由于在原子力显微镜与锁相放大器之间设置了电流前置放大器和带通滤波器，并在在电流前置放大器的反相输入端与锁相放大器的输入之间还并联有一带可调电容及移相器的移相电路，以对电容C进行测定及消除杂散电容的影响。从而具有不但可对电子元器件微小区域的电容值C进行准确测定，而且还可提高对电子元器件dC/dV值(变化率)检测的准确性，为分析电子元器件的物理及电学性能提供准确依据等特点。本发明属于电子元器件测试用仪器及测试技术领域，特别是一种基于原子力显微镜检测电子元器件微小区域（点区域）电容值的检测系统。采用该检测系统可以对薄膜等类电子元器件指定的微小区域（点区域）的电容值以及该点电容的变化值进行定量检测，为进一步分析电子元器件的物理及电学性能提供依据。背景：对于电子元器件的物理及电学特性表征，一个很重要的方法是采用电容-电压检测方法，该检测法获得的数据可用来判断半导体材料的载流子类型、掺杂浓度、耗尽层宽度以及分析研究半导体元器件的电学特性，在半导体元器件研究邻域具有非常大的应用前景。目前针对电子元器件大面积电学性能检测的电容-电压法应用较普遍，但该方法不能用于对微型元器件进行电容-电压检测；及对微型器件中的微小区域进行的电容-电压检测主要是依靠由AFM（原子力显微镜）及在测量样品与原子力显微镜之间加载电信号的交流/直流电源，对AFM采集到的电信号进行调制的FM(调频)调制器（电路），对调制后的信号进行处理的锁存放大器、数据采集卡，计算机串联而成的检测系统：对点区域通过电容-电压检测方法对其接触点处电容的变化进行检测。原理：系统给AFM针尖（半径为几十nm）与样品之间加载一个变化的直流电压和频率为1GHZ、振幅为毫伏量级的交流电压。其中,交流电压的作用是使样品的电容与系统检测电路产生共振以获得其共振频率；由于AFM探针与样品接触，样品在AFM探针接触区域的电容值将随着直流电压的变化量（dcV）而变化；该电容值的变化（C）将引起系统检测电路的共振频率的变化（f），共振频率的变化经过频率-电压转换器（FM调制器）转换后输出一电压信号（0V）,数据采集卡将经锁相放大器处理后所得的电压0V及直流电压的变化量dcV等电信号采集后、输入计算机处理，即通过下式：dcdcdcVVLMVfLVCdVdC0以获得电容随直流电压变化的变化率（dVdC）;式中，M为频率-电压转换器的转换系数（定值）；L为C与f的转换系数，由于共振电路的非线性特征使C与f的转换系数L为一变化值；因此，所获得的电容随直流电压的变化率dVdC也为变化值。而在测量半导体异质结2DEG（二维电子气）的浓度时，要采用如下公式：dVdCSqCWnr203)(其中，n为2DEG的浓度，W是耗尽区深度，C是样品检测点的电容值，S是针尖与样品接触点的面积，V是加载在针尖和样品间的电压，dVdC是电容随直流电压变化的变化率0是真空介电常数、r是相对介电常数，q是单位电荷量。由上述公式知，要检测2DEG电子气浓度n，需要测得微小区域的电容C,由于采用扫描探针显微镜对电子元器件微小区域电容的检测方法无法得到该微小区域的电容值C，只能将C值忽略（即将该公式的分子设为1），而得到的2DEG的浓度值只能是近似值。因而影响了对器件的电气性能和物理性能的准确评定；此外，由于测试中受杂质电容等影响，所得的dVdC值误差也比较大，因此对2DEG浓度进行定性分析时的准确度也比较差。专利具体内容：针对上文背景中存在的缺陷，研究设计了一种电子元器件微小区域电容值的检测系统，以达到在提高对电子元器件dVdC值检测的准确性同时、对该微小区域电容值C进行准确测定，为分析电子元器件的物理及电学性能提供可靠依据。具体做法是在原来有AFM及用于加载电信号的交流/直流（交流和直流）电源，对AFM检测到的电信号进行处理的调制器，锁相放大器、数据采集卡，以及计算机串联而成的检测系统的基础上，在AFM与锁相放大器之间设置一由电流前置放大器和带通滤波器串联而成的电路、代替背景技术中提到的调制器、对AFM检测到的电信号进行处理；从而得到元器件在检测点处的电容值及电容值随直流电压变化的变化率；为了进一步提高检测精度，本发明在电流前置放大器与锁相放大器之间还并联了一带可调电容及移相器的移相器电路，以消除由探针周围环境等引起的杂质电容；本发明即以此实现其发明目的。因此，本发明关键在于原子力显微镜与锁相放大器之间还设有电流前置放大器和带通滤波器；电流前置放大器的反相输入端与原子力显微镜的输出端连接、电流前置放大器的输出端则与带通滤波器的输入接口连接，而带通滤波器的输出端则与锁相放大器的输入接口连接；锁相放大器与数据采集卡、数据采集卡与计算机之间的连接关系仍与背景技术相同。为进一步提高检测精度，在电流前置放大器的反相输入端与锁相放大器的输入之间还并联有一带可调电容及移相器的移相电路。所述可调电容的调节范围为0.1-100pF。本发明由于在原子力显微镜与锁相放大器之间并联了一带可调电容及移相器的移相器电路，以消除由探针周围环境等引起的杂散电容。从而具有不但可对电子元器件微小区域的电容值进行准确测量，而且还可提高对电子元器件dVdC值检测的准确性，为分析电子元器件的物理及电化学性能提供准确依据等特点。具体实施实例本实施方案以检测AlGaN/GaN半导体异质结样品为例，首先将样品置于原子力显微镜的检测台上、同时使原子力显微镜的探针与样品中心接触；然后调节可变电容1c的值、即在样品与原子力显微镜探针之间施加-20V的直流电压、调节可变电容1c至计算机显示锁相放大器输出电压为0为止；检测时在样品与原子力显微镜探针之间施加一个50khz,0.6V交流电压和一个由-10V逐渐增加至1V的可变直流电压，本实施方式以每上升0.1V采集一次电信号数据、并经电流前置放大器、带通滤波器、移相电路及锁相放大器处理后出入计算机处理，并根据：ACLIAOPAGoutUGfGUC2即得到对应该电压的一个电容值；其中，outU是锁相放大器的输出电压，f是加载交流电压的频率，ACU是加载交流电压的值（本检测采用0.6V）OPAGG是前置放大器的电流电压转换系数、LIAG是锁相放大器的电压放大系数。本实验在该中心点共采集110个电信号数据、最后经计算机处理得到与110个电压点对应的110个电容C值。下图即为本实施电容随直流电压变化的变化的曲线，根据该曲线即可得到该中心店电容随直流电压变化时在各电压点的变化率。