使用苏黎世仪器的阻抗分析仪MFIA进行驱动级电容分析DLCP测量
使用苏黎世仪器的阻抗分析仪MFIA进行驱动级电容分析(DLCP)测量
2023年3月14日Meng Li
介绍
当存在深能级态时,驱动级电容分析(DLCP)是一种精确确定半导体中电荷载流子密度的强大技术。它通常被认为是对广泛应用的电容-电压(C-V)剖面表征技术的改进,该技术假设耗尽边缘的所有电荷载流子对施加的AC测试信号(Vac)快速响应。由于这种假设并不总是正确的,它可能导致对载流子密度的高估。这篇博客文章说明了如何使用带有MF-PID升级选项的MFIA阻抗分析仪在LED设备上设置DLCP测量。
DLCP设置
DLCP基于比标准C-V更严格(尽管仍然不完美)的假设,因为它将载流子分为两类:对Vac响应不够快的界面态和对Vac反应足够快的间隙态[1]。所有界面状态都位于离半导体结位置一定距离内。为了保持该距离恒定,需要输出具有恒定最大电平的电压。这意味着,在DLCP中,当DC偏置(Vdc)被扫频时,AC测试信号(Vac)需要相应地增加或减少。可以手动或使用API来实现这一目标。一个更优雅的解决方案是充分利用MFIA上的MF-PID选项。
设置DLCP仅需要比例增益P(I和D均为0);此外,我们需要注意均方根(rms)和峰值单位之间的转换系数,√2=1.414(见https://www.zhinst.cn/china/cn/blogs/demodulating-down-dc-hf2li)。
图1显示了LabOne中PID模块的设置,其中通道3中的输入“Demod X”表示Vac(如果未安装MF-MD选项,则为通道2)。我们选择“降级X”而不是“降级R”,因为后者不能为负数。”输出中的“信号偏移”表示Vdc。图1中的仅P反馈由以下关系描述:
请记住,输出电压是峰值(而非rms)中Vdc和Vac的总和,我们也有
因此,Vac的设定点仅决定最大输出电平。在我们的情况下,为了将其保持在-50 mV,我们将-50 mV/1.414=-35.4 mV写入“Demod X”中——这是DLCP测量中唯一需要调整的参数。使用LabOne清扫器模块可以更容易地设置Vac的清扫范围。
图1:LabOne屏幕截图,显示DLCP测量的PID模块设置
DLCP结果
图2显示了使用苏黎世有仪器MFIA测试DLCP的结果。当Vac被扫频时,我们看到最大输出电平固定在-50 mV,而正弦波的振幅不断增加。有趣的是,我们还发现电容相对于Vac呈非线性变化。线性拟合(由虚线给出)显示了失配:如[2]所述,这是因为电容被认为对Vac有更高阶的依赖性。为了根据DLCP结果计算准确的载流子密度,感兴趣的读者应该仔细查看[3]以获得详细的分析模型。
图2:LabOne屏幕截图显示了LED上的DLCP测量,其中直流偏压和交流测试信号同时变化,以将最大输出电压保持在50mV的恒定值。测量在1kHz下进行。请注意,此测量需要MF-PID选项。
与标准C-V测量的比较
在标准C-Vdc测量中,Vac保持恒定。在半导体LED具有高电阻的反向偏置中,如图2所示,小的Vac可能只产生少量电流,从而导致电容测量的噪声。
值得一提的是,C-Vdc测量可以通过MFIA上的适当范围和滤波器设置进行平滑。然而,我们有意跳过这个优化步骤,在相同的条件下进行所有测量,以便进行公平的比较。
图3:LabOne屏幕截图显示了LED上的C-Vdc测量,其中交流测试信号设置为10mVpk,直流偏压在-60mV和-360mV之间扫频。测量频率为1kHz。MF-PID选项未用于此测量。
与C-Vac测量的比较
在这一点上,人们可能想知道,如果我们在没有PID控制的情况下扫描Vac,从而使Vdc保持恒定,会发生什么。在小扰动假设中,半导体器件的电容应在固定的反向偏压下保持恒定。这正是我们在图4中看到的,其中即使Vac值等于300 mV,测量的电容也仅略有增加(增加0.1%)。与DLCP相比,这一结果通常用处不大。
图4:LabOne屏幕截图显示了LED上的C-Vac测量结果,其中直流偏压设置为-360 mV,交流测试信号在10 mVpk和300 mVpk之间扫频。测量是在1kHz下进行的。MF-PID选项未用于此测量。
结论
我们描述了在半导体LED上运行DLCP测量的程序。与标准C-V相比,当存在深电平状态并且电容相对于AC测试信号(Vac)变化时,DLCP被证明是非常有用的,甚至可能是非线性的。与另一种常用的半导体表征技术深能级瞬态光谱(DLTS)相比,DLCP在时间分辨率方面更粗糙。然而,DLCP不依赖于电容的相对变化,因此通过探测绝对值在精度方面提供了很大的优势[3]。
MFIA可以支持本文中提到的所有三种方法的测量。如果您有兴趣了解更多信息,请与我们联系以设置演示。
工具书类
[1] Heath,J.T.、Cohen,J.D.和Shafarman,W.N.使用驱动级电容剖面的CuIn1−x Ga x Se 2薄膜中的体缺陷和亚稳态缺陷。《应用物理学杂志》951000-1010(2004)。
[2] Warren,C.W.等。一种通过驱动级电容剖面确定载流子密度的改进方法。《应用物理快报》110203901(2017)。
[3] Johnson,D.C.铜铟镓二硒化物合金的新型电容测量:最终分包报告,1999年7月1日至2003年8月31日,编号NREL/SR-520-35614。美国科罗拉多州戈尔登市国家可再生能源实验室(2004年)。
鸣谢
我要感谢我的同事野口美智提出的初步想法和富有成果的讨论。