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。
