一种半导体多电学参数的自动化测试系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于半导体材料与器件技术领域，尤其涉及一种用于在复杂环境下自动化 测量多种电学输运参数的半导体多电学参数的自动化测试系统。
【背景技术】
[0002] 在研究半导体材料与器件的过程中，电学输运测试是一种十分重要而且常用的研 究手段。通过改变温度磁场等外界条件，可以研究样品的电阻率、迁移率、载流子浓度等不 同输运参数受外场的影响。
[0003] 然而，目前大部分精密电输运测试系统的功能都比较单一，只能实现一种或少数 几种电输运特性的测试。如果需要测试现有系统所测电输运特性之外的参数，则又需要重 新购置另外一整套系统，这样既浪费了资金又需要重新花费精力去学习新系统的使用。
[0004] 仅以电阻测试为例，不同的样品具有的电阻大小不同，其测试方法也不一样，尤其 是阻值很低和阻值很高的电阻，都分别需要特殊的测试方法才能实现精确测试。而传统的 输运测试系统很少能同时兼顾超低阻和超高阻材料的精确测试。而且有些半导体的霍尔现 象不是很明显，即使加很大的磁场所得到的霍尔电压也不是很大，很容易被噪声淹没，这就 需要极其良好的屏蔽及接地，同时对仪器及测试导线进行更加精密的加工，但即使这样也 可能不能保证系统的精度效果。
[0005] 现有的精密电输运测试系统的变温测试均为手动控制的，比如在第一个温度点下 测试完一系列参数之后，需要手动控制温控仪将温度改变到第二个温度点，再进行下一步 的测试。这样如果需要测试很多温度点，就会很耗时而且非常繁琐。
[0006] 同样的很少有系统能够全自动地测试不同温度，不同磁场下样品的I-V曲线。而 且随着现代电子器件尺寸的不断缩小，其电输运性能将受到量子效应的影响，单次I-V曲 线的测试已经不能满足对电阻分析的需求，而需要其器件的I-V曲线在大量数据点上的斜 率，这就需要我们绘制微分电导图。尤其是对低温半导体器件来说，微分电导的测试尤为重 要，且不同的温度、磁场或者光照等环境会影响器件的量子特性甚至自旋特性，从而导致微 分电导的变化。然而目前几乎没有能够实现自动化测试变温微分电导或者变磁场微分电导 的测试的系统。
[0007] 更加重要的是，一般来说光照都会对样品的电输运特性产生非常巨大的影响，但 是由于低温强磁场环境一般都是封闭的，所以目前几乎没有类似的变温变磁场输运系统能 够在不同光照下精确研究样品的电输运特性。
[0008] 为了克服现有技术中无法同时测试多种电输运参数、测试操作过程复杂繁琐以及 无法实现高精度自动化测量等缺陷，提出了一种半导体多电学参数的自动化测试系统。
【发明内容】
[0009] 本发明提出了一种半导体多电学参数的自动化测试系统，包括：测试环境调控单 元，其用以提供不同温度、磁场和光照的测试环境；信号测试单元，其用以测试在所述测试 环境下被测样品的电输运参数；主控单元，其控制所述测试环境调控单元调节所述测试环 境，控制所述信号测试单元完成自动化测试以及处理分析上所述被测样品的电输运参数。
[0010] 本发明提出的半导体多电学参数的自动化测试系统中，所述信号测试单元包括： 电流源，其与所述被测样品连接，用于提供测试过程中所述被测样品的电流；纳伏表，用于 测试所述测试信号的电压；程控源表，其与所述被测样品连接，用于测试超高电阻值以及所 述被测样品的I-V曲线；多通道程控开关控制器，用于在测试过程中实现测量样品信号引 脚的自动切换；所述样品信号引脚与所述被测样品连接；霍尔效应卡，其设置在所述多通 道程控开关控制器的卡槽中，接口分别与所述电流源、所述纳伏表、所述程控源表以及所述 被测样品连接，用于信号隔离以及配合所述多通道程控开关控制器进行所述样品信号引脚 的自动切换。
[0011] 本发明提出的半导体多电学参数的自动化测试系统中，所述信号测试单元进一步 包括远端前置放大器；所述程控源表通过所述远端前置放大器与所述被测样品连接，使所 述程控源表可测试高达太欧姆数量级的电阻。
[0012] 本发明提出的半导体多电学参数的自动化测试系统中，进一步包括：所述霍尔效 应卡通过三轴屏蔽线与所述电流源、所述纳伏表及所述程控源表连接；所述霍尔效应卡通 过BNC线与所述样品信号引脚连接。
[0013] 本发明提出的半导体多电学参数的自动化测试系统中，所述测试环境调控单元包 括液氦磁光装置、光源装置、超导磁体电流源与温控仪；所述液氦磁光装置与所述超导磁体 电流源和所述温控仪连接，所述光源装置正对于所述液氦磁光装置设置；所述超导磁体电 流源110与所述温控仪111与所述主控单元连接。
[0014] 本发明提出的半导体多电学参数的自动化测试系统中，所述液氦磁光装置设有样 品仓、超导磁体与加热器；所述样品仓中设有窗片，所述样品仓中容纳所述被测样品；所述 光源装置的光线透过所述窗片照射在所述被测样品上形成光照，所述超导磁体电源通过所 述超导磁体在所述样品仓中形成磁场，所述温控仪通过所述加热器控制所述样品仓内的温 度。
[0015] 本发明提出的半导体多电学参数的自动化测试系统中，所述主控单元通过GPIB 板卡与所述测试环境调控单元和所述信号测试单元连接，所述主控单元通过程序自动控制 所述信号测试单元进行自动测试。
[0016] 本发明具有如下有益效果：
[0017] 本发明可进行变光照、变温度、变磁场下多种输运参数的测试，例如电阻、磁阻、霍 尔效应和IV曲线等参数的自动化测试，以及程控自动化测试变温、变磁场下的微分电导 谱。
[0018] 本发明采用了霍尔效应卡和多通道程控开关，可以通过程序控制自动实现引脚的 切换测试。并且提出一种改进的范德堡测试方法，可以提高测试精度，降低对系统屏蔽和接 地性能的要求。
[0019] 本发明利用电流源、纳伏表、亚fA程控源表等精密仪器，可精确提供皮安级别的 恒定电流以及获得纳伏级别的电阻电压和霍尔电压。此外，本发明通过结合使用电流源、纳 伏表自动进行Delta测试，可用于精确测试低至InQ的超低电阻值。
[0020] 本发明的屏蔽措施良好，测试结果精确性。使用亚fA程控源表，结合远端前置放 大器和样品杆，可以精确测试高达1TQ的超高电阻阻值。
[0021] 本系统的变温、变磁场测试都是由程序控制自动。测试数据经过程序内部的虚拟 仪器进行必要的信号处理与采集后，结果自动保存成设定格式的电子文档，自动显示需要 的参数图像。
[0022] 本发明可以直接将可见-近红外光通过窗片射入到样品仓中，能研究复杂环境 (包括深低温强磁场）下不同光照对样品输运特性的影响，也能够研究复杂环境下的光生 载流子特性。并且样品与光源完全隔离，可以忽略光源发热对样品的影响。
【附图说明】
[0023] 图1表示本发明的系统结构框图。
[0024] 图2表示样品杆结构图。
[0025] 图3表示范德堡测试结构示意图。
[0026] 图4表示改进的范德堡霍尔测试原理图。
[0027] 图5表示纳伏表的"滑动式滤波"和"重复型滤波"技术的堆栈示意图。
[0028] 图6表不本系统中微分电导测试原理的不意图。
[0029] 图7表示变磁场范德堡测试程序流程图。
[0030] 图8表示变温I-V曲线测试流程图。
[0031] 图9表示变磁场微分电导谱测试程序流程图。
【具体实施方式】
[0032] 结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、 条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发 明没有特别限制内容。
[0033] 参阅图1，本发明半导体多电学参数的自动化测试系统，其包括测试环境调控单 元、信号测试单元与主控单元。测试环境调控单元为被测样品提供不同光照、磁场和温度的 测试环境，信号测试单元为被测样品提供测试信号进行测试，并且采集经测试后被测样品 的电输运参数，主控单元与测试环境调控单元和信号测试单元连接并建立数据传输，主控 单元为处理器，其能够控制测试环境调控单元自动化调节测试环境的光照、磁场和温度，以 及控制信号测试单元自动化测试被测样品的电输运参数，并且对电输运参数进行分析得到 其结果。
[0034] 以下介绍本发明中的测试环境调控单元，测试环境调控单元包括液氦磁光装置 108、光源装置113、超导磁体电流源110与温控仪111。测试环境调节单元的测试环境的温 度可从2K至300K，磁场范围可从0至10T，磁场强度变化速率可达1特斯拉/分钟。其中， 温控仪111使用ITC503。
[0035] 本系统所有控制及测量程序均使用美国国家仪器公司的Labview软件编写。
[0036] 液氦磁光装置108采用牛津仪器的SpectromagSM4000,其设有样品仓802、超导 磁体与加热器；样品仓802中设有窗片801，样品仓802中容纳被测样品；光源装置113的 光线透过窗片801照射在被测样品4上形成光照。通过设置不同类型的窗片801，从而选择 透过的光线的波长，选择对应波长的光线照射到被测样品上从而调节测试环境的光照。
[0037] 在使用中，液氦杜瓦向液氦磁光装置108中通入液氦在液氦磁光装置108的样品 仓802内形成低温的环境，同时使超导磁体工作在其中形成超导。温控仪111通过加热器 (例如，电阻加热器）控制在样品仓802内产生热量，控制样品仓802内的温度。温控仪 111受主控单元的控制，主控单元可以自动化调节温控仪111，从而在被测样品的测试环境 (即，样品仓802内）的温度。
[0038] 超导磁体电源110为IPS120,其受主控单元控制，超导磁体电源110通过超导磁体 在样品仓802中形成磁场，并在主控单元的控制下可自动化调节磁场的强度。
[0039] 以下介绍本发明中的被测样品。被测样品根据不同需求可以制作成不同的形状。 当需要测试被测样品电输运参数中的电阻率、霍尔系数、载流子浓度，迁移率等基本参数 时，使用范德堡法对被测样品进行测试，虽然范德堡法对被测样品形状