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Solartron 半導體量測應用-1

Solartron 半導體量測應用-1

Solartron ModuLab MTS 半導體特性分析平台介紹

涵蓋 I–V、脈衝 I–V、C–V 與阻抗／導納量測

1. 前言

隨著市場對高效率元件及新應用的需求增加，半導體材料持續受到學術界與產業界的高度關注。

電性分析是一種功能強大且非破壞性的量測方法，可用來判定半導體材料及元件的多項重要特性，包括：

  • 摻雜濃度與摻雜深度分布
  • 電子－電洞復合動力學
  • 載子遷移特性的辨識
  • 氧化層的電氣完整性

本應用說明介紹 ModuLab MTS 可提供的電性分析方法，包括：

  • 時域量測：I–V、脈衝特性分析
  • 頻域量測：阻抗／導納分析、C–V 分析

本文使用多種半導體材料與元件進行測試，包括多晶太陽能電池、OLED、二極體及 MOSFET。

2. ModuLab MTS

ModuLab MTS 是一套模組化、即插即用的量測平台。研究人員可依照實際量測技術，以及所需的 AC／DC 電壓與電流範圍，建構適合的量測系統。

系統可配置為：

  • 施加及量測時域訊號
  • 進行 AC 阻抗量測
  • 同時整合時域與頻域量測

過去，研究人員通常必須購買多台儀器，例如使用阻抗分析儀進行寬頻量測，再使用半導體參數分析儀進行 I–V 及 C–V 量測。

ModuLab MTS 則將多種功能整合於單一平台中，可降低整體持有成本，同時提供完整整合的硬體與軟體操作環境。

主要特色包括：

  • C–V 與阻抗量測頻率範圍：10 mHz～1 MHz
  • 偏壓範圍從數 mV 至 100 V，可在廣泛的 DC 偏壓範圍下進行阻抗、C–V、I–V 與脈衝分析
  • 加裝選配模組後，可提供 20 V／2 A 輸出，擴展功率元件的阻抗、I–V 及脈衝量測能力
  • 高解析度、高精度飛安培計選配模組，適用於漏電流測試及高阻抗樣品
  • 樣品／參考模組，可提高介電材料的量測準確度

時域（DC）量測能力

量測技術 最小／最大電壓 最小／最大電流 最大掃描速率／脈衝時間 資料擷取速度
I–V（線性、階梯、三角波） 1 mV／100 V 150 aA解析度／2 A 1.8 MV/s 每秒100萬筆
脈衝（一般及差分模式） 1 mV／100 V 150 aA解析度／2 A 最短1 ms 每秒100萬筆

頻域（AC）量測能力

量測技術 DC偏壓範圍 阻抗範圍 頻率範圍 量測方法
C–V（線性、階梯、三角波） 1 mV／100 V 小於100 mΩ至大於100 TΩ 10 mHz～1 MHz 單頻、單正弦波、多重正弦波／FFT
阻抗／導納 1 mV／100 V 小於100 mΩ至大於100 TΩ 10 mHz～1 MHz 單頻、單正弦波、多重正弦波／FFT

並非所有應用都需要上述完整規格。由於 MTS 採模組化設計，可依待測元件的需求配置系統；未來需求改變時，也可再增加模組。

軟體支援所有模組組合，因此量測硬體與量測技術的整合，可由控制軟體自動完成。

3. 時域（DC）量測技術

MTS 軟體提供多種電壓控制的時域量測方法，可精確控制施加電壓隨時間的變化。

施加三角波特別適合分析具有遲滯現象的元件，例如 OLED 中的電荷捕捉機制。

下圖2顯示 OLED 像素的 I–V 特性，並比較不同掃描方向及掃描速率：

  • 綠線：100 mV/s
  • 紅線：300 mV/s
  • 曲線遲滯現象代表可能存在電荷捕捉效應

Solartron 軟體可精確控制施加於元件的波形，主要功能包括：

  • 可施加線性及三角形電壓波形。部分元件的測量結果會受掃描方向影響，因此可透過正向及反向循環掃描來判定其差異。
  • 階梯式電壓掃描，可觀察元件在每個電壓階梯後的延遲響應，並可指定在階梯中的哪一個時間點取樣電流。
  • 電位脈衝量測，可設定脈衝高度及脈衝寬度，用於了解元件在負載快速變化時的動態響應。

加裝飛安培計fA模組後，MTS 可量測極低電流，其電流解析度可達150 aA。

低電流量測適用於：

  • 太陽能電池及二極體的漏電流量測
  • MOSFET及MOS電容器的低頻C–V量測

圖3顯示3N701 MOSFET閘極對汲極／源極的I–V曲線，證明飛安培計模組具有良好的穩定性及解析度。元件由反轉區進入空乏區時，電流變化約為750 fA。

圖4則為二極體在正向偏壓下的I–V曲線。

反向偏壓與漏電流

元件的漏電流通常是在反向偏壓模式下量測。圖5顯示一個18 V多晶太陽能電池的典型反向偏壓掃描。

本例中，MAT核心模組的電流靈敏度已足以量測該元件的漏電流。不過，小型元件的漏電流可能只有pA甚至fA等級。

加裝飛安培計選配模組後，MTS的電流解析度可提升至0.15 fA，並且仍支援：

  • C–V
  • I–V
  • 脈衝
  • 阻抗量測

圖5也示範如何利用反向偏壓曲線計算並聯電阻：

Rsh​=ΔIrev​ΔVrev​​

可利用軟體中的迴歸分析工具完成計算。

準靜態低頻C–V量測

準靜態低頻C–V量測對於判定介面陷阱密度非常重要。

此量測一般採用電壓斜坡技術，因為當掃描速率足夠慢時，電流會與電容量成正比。MTS斜坡產生器可提供低於1 mV/s的極慢掃描速度，因此非常適合低頻C–V量測。

 

 

下一章節將介紹交流訊號的分析C-V, EIS...等