基于电容充放电原理的半导体电阻率测绘仪及测绘方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半绝缘半导体材料电学参数测试研究领域，特别涉及一种基于电容充放电原理的半导体电阻率测绘仪及测绘方法。
【背景技术】
[0002]半绝缘半导体是继第一代半导体材料Si后发展起来的第二代半导体材料GaAs、InP和第三代半导体材料，如SiC、GaN,具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和浓度、抗辐射能力强、介电常数小等特点，适合于制备高温、高频、大功率的电子器件及性能优异的微波、光电器件，具有广泛的应用前景。
[0003]对于任何半导体物质的研究，电阻率都是一个非常重要的依据，是研发、生产过程中必须测量的重要的基本电学参数。整块(锭)或整片半导体晶体材料的电阻率分布情况可完整真实地反映材料的质量。
[0004]现行常用的半导体材料测试方法主要有霍尔法和范德堡法，这两种方法均需要对样品切割得到特定形状的样片，并需制备欧姆接触，测量周期长。对于GaAs这些半导体物质利用霍尔法测试其电阻率虽然不便，但仍是可行的，因为在这些物质上制作欧姆接触不存在问题。然而对于SiC这类第三代半导体材料来讲，半导体电阻率均大于105Ω._，常见杂质在SiC中的扩散系数极低，在合金化的过程中几乎不可能像S1、GaAs等半导体那样靠合金中的掺杂剂掺入来提高界面的掺杂浓度，这就给欧姆接触的形成带来了很大的困难，使得利用霍尔法测试SiC单晶电阻率变得十分困难。此外，目前常用的电阻率测试方法，如直流四探针法和涡流法更无法对SiC、GaN进行有效的测量。
[0005]因此，需要提供一种非接触的、价格较便宜的半绝缘半导体电阻率测绘仪及测绘方法。
【发明内容】
[0006]本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于电容充放电原理的半导体电阻率测绘仪，该测绘仪可实现半绝缘半导体材料的电阻率分布式测量，直观且准确地反映材料的整体性能。
[0007]本发明的另一目的在于提供一种基于上述半导体电阻率测绘仪的测绘方法，该方法具有操作简单、控制精确、结果准确的优点。
[0008]本发明的目的通过以下的技术方案实现:基于电容充放电原理的半导体电阻率测绘仪，包括:三轴运动平台、样品台、检测探头、数据采集卡、控制装置、氮气供应系统、脉冲电压发生电路，样品放置在样品台上，所述样品台为金属平台，所述三轴运动平台用于控制检测探头定位到样品上每个需要测试的点位置的上方，所述脉冲电压发生电路向样品台施加低压脉冲信号，所述检测探头包括采样电极、采样电路、氮气输送通道，所述采样电极一端为探测面，设置在样品的正上方，另一端通过屏蔽电缆与采样电路相连，采样电路通过数据采集卡与控制装置相连；在测试时，氮气供应系统输送氮气到氮气输送通道，氮气从氮气输送通道的氮气喷射孔喷出，使采样电极与样品之间充满氮气以形成保护层；所述控制装置用于根据采样电极采集的每个测量点的电荷变化的弛豫时间计算出样品电阻率。本发明中，当样品台被施加低压脉冲信号后，相当于不断地对样品台、样品及采样电极进行充放电，样品台、样品、采样电极三者在电路上等效为两个电容与一个电阻的串并联电路，通过采样电极对样品上每个需要测试的点进行测量，再结合三轴运动平台的扫描，可以得到整个样品上电阻率的分布。
[0009]优选的，所述检测探头还包括一金属套环外壳，其中心开有一用于放置采样电极的通孔，采样电极和金属套环外壳之间使用一绝缘管隔开，所述金属套环外壳的底部平面与采样电极的探测面处于同一平面；所述氮气输送通道设置在所述通孔的一侧，氮气输送通道一端通过氮气供应接口与氮气供应系统连接，另一端通过氮气喷射孔将氮气喷射到采样电极与样品之间。
[0010]更进一步的，所述采样电极采用直径I?2mm、长20?30mm的紫铜棒，采样电极一端为探测面，具有相对样品台表面小于I μπι的平面度，另一端通过屏蔽电缆连接到采样电路的输入接口，采样电极与屏蔽电缆通过焊接固定；所述样品上表面和采样电极探测面之间距离在0.05?0.2mm。
[0011 ] 更进一步的，所述绝缘薄管为聚四氟乙烯塑料管。
[0012]更进一步的，所述检测探头还包括采样电路供电接口、采样电路信号输出接口、氮气供应接口，所述采样电路供电接口、采样电路信号输出接口、氮气供应接口分别与电源系统、数据采集卡、氮气供应系统连接；所述检测探头采用T形结构，上部用于放置采样电路、采样电路供电接口、采样电路信号输出接口、氮气供应接口，下部用作金属套环外壳。这样可以尽量缩短采样电极与采样电路的距离，减少检测信号的损耗。
[0013]优选的，所述样品台与脉冲电压发生电路之间、采样电路与数据采集卡之间、数据采集卡与控制装置之间均通过屏蔽电缆连接，屏蔽电缆的屏蔽层接地。
[0014]优选的，所述三轴运动平台包括运动控制系统、扫描运动系统，所述运动控制系统分别与控制装置、扫描运动系统连接；所述扫描运动系统包括X轴运动机构、Y轴运动机构、Z轴运动机构、导轨安装支架、探头支架，其中X轴运动机构包括X轴驱动电机和X轴直线导轨，Z轴运动机构包括Z轴驱动电机和Z轴导轨，所述导轨安装支架固定在操作平台上，X轴直线导轨两端分别固定在导轨安装支架上，所述Z轴运动机构设置在X轴直线导轨上的滑块上，所述探头支架设置在Z轴导轨上，所述检测探头固定在探头支架上，检测探头的中轴线始终垂直于样品台；所述Y轴运动机构设置在操作平台上，包括Y轴驱动电机、Y轴直线导轨和Y轴直线光杆滑轨，Y轴直线导轨和Y轴直线光杆滑轨保持平行，样品台安装在Y轴直线导轨的滑块上。
[0015]更进一步的，所述X轴驱动电机、Y轴驱动电机、Z轴驱动电机均采用直流无刷伺服电机，X轴直线导轨、Y轴直线导轨均采用同步带直线导轨，Z轴导轨采用滚珠丝杠导轨。直流无刷伺服电机本身能产生脉冲，采用这类电机，运动控制系统通过比较发送出去的脉冲数与接收到的电机产生的脉冲数，可以进行运动补偿，从而实现精确定位。
[0016]优选的，在所述样品台下方还设有一用于在测试时固定待测样品的样品吸附系统，包括真空负压栗、吸盘、排气电磁阀、气管、三通连接头，所述样品台上设有吸附孔，吸盘设在该吸附孔的下方，吸盘与样品台之间设有密封圈，吸盘、真空负压栗进气口、排气电磁阀三者分别通过气管与三通连接头连接。测试开始前样品处于被吸附状态，测试完成后样品被释放。
[0017]优选的，所述测绘仪还包括一继电器开关系统，所述氮气供应系统、样品吸附系统均通过该继电器开关系统与控制装置相连。这样可以由控制装置统一对氮气供应系统、样品吸附系统进行控制，确保在每次测量开始前氮气充满测量区域，样品被牢牢固定在样品台上，测量完成后停止供应氮气，同时样品被释放。
[0018]更进一步的，所述氮气供应系统包括氮气瓶、压力表、供气电磁阀、接头，所述接头通过管路与检测探头中的氮气供应接口相连，供气电磁阀与继电器开关系统相连，压力表设置在氮气瓶与供气电磁阀之间的管路上。
[0019]优选的，所述测绘仪包括主机柜和屏蔽罩，所述氮气供应系统、控制装置、脉冲电压发生电路以及测绘仪所用的电源系统均设置在主机柜中，屏蔽罩设置于主机柜顶部，采用活页及气弹簧支撑杆与主机柜连接，屏蔽罩在测试过程中始终覆盖整个操作平台。以确保样品在测试过程中不受外界光线及电磁波影响。
[0020]优选的，所述控制装置还与一显示器连接。该显示器用于人机交互，可以用于显示测试软件界面及测试结果。
[0021]基于上述半导体电阻率测绘仪的测绘方法，包括:三轴运动平台将检测探头定位到样品上需要测试的点位置的上方；脉冲电压发生电路向样品台施加低压脉冲信号，氮气供应系统向采样电极与样品之间的区域喷射氮气；采样电极探测样