一种稳定薄膜晶体管传感器性能的测试方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于微电子学及电子工程技术领域，具体涉及电子器件的测试表征方法。
【背景技术】
[0002]目前，电子器件广泛地使用于生活的各个方面，特别是基于各种结构的电子器件的传感器以及其他功能器件，受到人们的持续关注和普遍应用。由于其具有体积小、成本低、结构简单、读出信号为电学量并可直接连入电路进行数字处理等显著特点，被大量地应用于环境监测、医疗监护、疾病诊查、检验检疫、食品工程检测、物联网、智能家居、智慧城市、国防工业等诸多关系到国计民生的重大领域。常用的传感器结构有电阻式、电容式、薄膜晶体管式。由于薄膜晶体管是三端口器件，和电阻电容结构相比，多了一个栅控场效应结构，因此使用更加灵活，测试途径更加丰富，可以应用的场合也更为广泛。将不同的敏感材料作为薄膜晶体管的沟道材料，就可以实现不同的传感，如有毒气体传感、液体中有毒化合物传感、可见光与红外传感、温度与热流量热传感、应力与应变传感、生物分子传感等。
[0003]然而，由于沟道材料、栅极绝缘层材料的不稳定性，会形成各种不同的载流子俘获中心。这些俘获中心的形成有多种原因，可以是由于传感器暴露于使用环境中，环境中的一些物质如水汽、氧气、二氧化碳等可以和沟道材料发生化学反应，甚至沟道材料会在光照、高温、强磁场等作用下变性；也可以是在施加栅极电压时栅极注入栅绝缘层一些电荷，甚至绝缘层在很大的栅极电场中发生软击穿；也可以是在制备器件的过程中栅极氧化层材料没能形成很好的晶体结构，其中有大量的晶格位错、缺陷等。所形成的俘获中心，在沟道电流流动的过程中不断捕获-释放电荷，成为沟道电流的噪声的一部分来源。更严重的后果是，这种随着栅压变化的电荷注入释放过程在晶体管的转移特性曲线中会表现出一个迟滞窗口。也就是说当栅压来回扫描时，所对应的两条转移特性曲线不重合。从另一个角度而言，这种不重合意味着同一个栅压可以存在不同的沟道电流。沟道电流除了和栅压有关还和器件工作的历史状态有关。那么在传感器应用的过程中，在一定的栅极偏置下，器件会表现出电流不稳定性，在整个测试过程中，虽然栅压不变，但是沟道电流的基线一直在漂移，可能持续增加也可能持续下降，甚至可能会飘忽不定。因为传感量就是通过器件暴露在被测物中的电流和背景电流的差异来实现，如果背景电流不稳定，那么就无法保证传感器的测试精度，甚至使得传感器失效。
[0004]因此，这个问题制约了很多基于薄膜晶体管的传感器的应用，无论在科学研究和是实际生活生产领域，解决器件的稳定性迫在眉睫。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种稳定薄膜晶体管传感器(栅控器件)性能的测试方法，使得测试过程中，能消除器件的迟滞窗口，稳定传感器的背景电流，并使得传感器读取信号更稳定，测试更精确。
[0006]为了解决上述问题，本发明通过栅极电压的控制，实现消除迟滞、稳定背景电流的测量，一劳永逸地解决薄膜晶体管器件测量稳定性的问题。这种方法不同于传统思路，对于器件的稳定性，传统的解决途径是从器件和材料的角度触发，寻找更好的更稳定的沟道材料、栅氧化层材料。然而这方面的努力往往收效不显著，因为通常越敏感的材料性质越不稳定。本发明提出的新的测试方案不依赖于材料、被测物质等，只要是基于薄膜晶体管的传感器都可以应用这种方法。
[0007]本发明提供的稳定薄膜晶体管传感器(栅控器件)性能的测试方法，是在薄膜晶体管的栅极施加极性反复变化的电压脉冲信号，我们称之为交变脉冲(Alternating Pulse，AP)，使器件不断工作于极性相反的一对栅极脉冲下，从而消除器件测量时的迟滞现象。
[0008]本发明中，所述极性交替变化的交变脉冲信号的一个周期内正负半周幅度相等，时延相等。
[0009]本发明中，所述极性交替变化的交变脉冲信号为方波信号，该脉冲信号具有对等的正负极性时间和幅度；或者，所述极性交替变化的交变脉冲信号为方波以外的其他信号，但脉冲信号具有正负半周的电压关于时间交替点中心对称的特征，即具有对等的正负极性时间和幅度；如正弦波、三角波、锯齿波，以及具有双极性的任意周期波形。
[0010]本发明中，所述施加交变脉冲信号，有改变脉冲幅度的实施方式，即在栅极施加幅度从大到小或者从小到大交变脉冲激励，在每个幅度下读取正负极性电压激励下的两个沟道电流值，可以获得无迟滞现象的转移特性曲线。
[0011]本发明中，所述施加交变脉冲信号，还有恒定幅度控制频率的实施方式，即在栅极施加幅度不变的交变脉冲，在每个脉冲的正电压和/或负电压时读取沟道电流，该电流表现稳定，不会漂移。脉冲的频率就是沟道电流的采样频率，通过调整该频率可实现不同的采样率。
[0012]本发明通过施加交变脉冲信号，利用交变脉冲栅激励，稳定薄膜晶体管传感器传感过程中背景电流，即在栅极施加交变脉冲，该脉冲的幅度恒定，为预设的电压值，极性反复改变，在每个脉冲的正电压和/或负电压时读取沟道电流；环境不发生改变时，该电流稳定，不会漂移。
[0013]本发明通过在基于薄膜晶体管的栅电极上施加交变脉冲的方法，使得器件的状态在极性相反幅度相同的一对电压下不断转换，这种对称的正负激励，可以消除恒定极性的栅极电压偏置下栅极氧化层或沟道敏感层的电荷积累，从而消除转移特性曲线的迟滞现象，稳定传感过程中的背景电流。
[0014]薄膜晶体管的栅极施加的交变脉冲，可以消除恒定极性的栅极电压偏置下栅极氧化层或沟道敏感层的电荷积累，消除转移特性曲线的迟滞现象，稳定背景电流。
【附图说明】
[0015]图1是第一实施例中的测试电路结构。
[0016]图2是第二实施例中的使用传统方法的典型测试结果。
[0017]图3是第二实施例中的使用交变脉冲新方法的典型测试结果。
[0018]图4是第三实施例中的使用传统方法的典型测试结果。
[0019]图5是第三实施例中的使用交变脉冲新方法的典型测试结果。
【具体实施方式】
[0020]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
[0021]本发明的第一实施方案涉及一种稳定栅控器件性能的新型测试方法。该方法通过在栅极施加极性反复变化的电压脉冲信号，我们称之为交变脉冲，使得器件不断工作于极性相反的一对栅极脉冲的激励下，这样可以消除恒定极性的栅极电压偏置下栅极氧化层或沟道敏感层的电荷积累，从而消除转移特性曲线的迟滞现象，稳定背景电流。
[0022]图1展示了本发明的新型测试方法的测试电路原理图。图中在被测试的场效应晶体管器件10的源极(对于η型器件)或漏极(对于P型器件)接地。漏极(对于η型器件)或者源极(对于P型器件)接一个恒定电压源30。在该回路中串联电流计40以检测沟道电流。测试过程中，栅极施加交变脉冲激励源20，该激励源可以产生一定频率的双极性脉冲信号，一