专利名称：一种电子元器件微小区域电容值的检测系统的制作方法
技术领域：
本发明属于电子元器件测试用仪器及测试技术领域，特别是一种基于原子力显微镜(AFM)检测电子元器件微小区域(点区域)电容值的检测系统。采用该检测系统可以对薄膜等类电子元器件指定的微小区域(点区域)的电容值以及该点电容的变化值进行定量检测，为进一步分析电子元器件的物理及电学性能提供依据。
背景技术：
对于电子元器件的物理及电学性能表征，一个很重要的方法是采用电容-电压 (C-V)检测方法，该检测法获得的数据可用来判断半导体材料的载流子类型、掺杂浓度、耗尽层宽度以及分析研究半导体元器件的电学性能，在半导体元器件研究方面具有非常大的应用前景。目前，针对电子元器件大面积电学性能检测的C-V方法的应用较普遍，但该方法不能用于对微型元器件进行C-V检测；而对微型元器件、即对微型元器件中的微小区域(点区域)进行的C-V检测(测量)、主要是依靠由AFM(原子力显微镜)及在测试样品与原子力显微镜(AFM)之间加载电信号的交流/直流(交流和直流)电源，对AFM采集到的电信号进行调制的FM(调频)调制器(电路)，对调制后的信号进行处理的锁相放大器、数据采集卡，计算机串联而成的检测系统；对电子元器件微小区域(点区域)通过C-V检测(测量) 方法对其接触点处电容的变化进行检测。其检测原理是系统给AFM(原子力显微镜)针尖 (半径为几十nm)与样品(测试件)之间加载一个变化的直流电压(Vdc，>0-20V)和频率为1GHz、振幅为毫伏量级(10-200mV)的交流电压。其中，交流电压的作用是使样品的电容与系统检测电路产生共振以获取其共振频率；由于AFM探针与样品(测试件)接触，样品在 AFM探针接触区域的电容值(C)将随着直流电压的变化量(△%。)而变化；该电容值的变化 (AC)将引起系统检测电路的共振频率的变化(Af)，共振频率的变化经过频率-电压转换器(FM调制器)转换后输出一电压信号(Vo)，数据采集卡将经锁相放大器处理后所得的电压Vo及直流电压的变化量△ Vd。等电信号采集后、输入计算机处理，即通过下式
dC AC r Af …Vo——=-=L = LM-
dV AVdc AVdc AVdc以获得电容随直流电压变化的变化率(dC/dV)；式中，M为频率-电压转换器的转换系数(该系数为定值)；L为AC与Af的转换系数，由于共振电路的非线性特征使AC 与Af的转换系数L为一变化值；因此，所获得的电容随直流电压变化的变化率dC/dV也为变化值。而在测量半导体异质结2DEG(二维电子气)的浓度时，要采用如下公式
C3n(W) =--—
qsrs0S dC I αν其中，η为2DEG的浓度，W是耗尽区深度，C是样品检测点的电容值，S是针尖与样品接触(点)的面积，V是加载在针尖和样品间的电压，dC/dV是电容随直流电压变化的变化率，ε C1是真空介电常数、ε ^为样品的相对介电常数，q为单位电荷量。由上述公式知， 要检测2DEG电子气浓度n，需要测得微小区域的电容值C，由于采用扫描探针显微镜对电子元器件微小区域电容的检测方法无法得到该微小区域的电容值C、只能将C的值忽略(即将该公式的分子设为1)，而得到的2DEG的浓度值只能是近似值。即只能对2DEG的浓度进行定性分析、而不能进行定量分析，因而影响了对器件的电气性能和物理性能的准确评定； 此外，由于测试中受杂散电容等的影响，所得的dC/dV值(变化率)的误差也较大，因此对 2DEG浓度进行定性分析时的准确度也较差。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种电子元器件微小区域电容值的检测系统，以达到在提高对电子元器件dC/dV值(变化率)检测的准确性同时、对该微小区域的电容值C进行准确测定，为分析电子元器件的物理及电学性能提供准确依据。本发明的解决方案是在原由AFM(原子力显微镜)及用于加载电信号的交流/直流(交流和直流)电源，对AFM检测到的电信号进行处理的调制器，锁相放大器、数据采集卡，以及计算机(处理器)串联而成的检测系统的基础上，在原子力显微镜(AFM)与锁相放大器之间设置一由电流前置放大器和带通滤波器串联而成的电路、代替背景技术中的调制器(电路)、对AFM检测到的电信号进行处理，然后再将处理后的电信号(数据)经锁相放大器处理、数据采集卡采集后，输入计算机处理；从而得到元器件在检测点处的电容值(C) 及电容随直流电压变化的变化率dC/dV;为了进一步提高检测精度，本发明在电流前置放大器与锁相放大器之间还并联了一带可调电容及移相器的移相器电路，以消除由探针周围环境等引起的杂散电容；本发明即以此实现其发明目的。因此，本发明电子元器件微小区域电容值的检测系统包括原子力显微镜(AFM)及用于加载电信号的交流/直流电源，锁相放大器、数据采集卡及与之连接的计算机(处理器)，关键在于在原子力显微镜与锁相放大器之间还设有电流前置放大器和带通滤波器；电流前置放大器的反相输入端与原子力显微镜的输出端连接、电流前置放大器的输出端则与带通滤波器的输入接口连接，而带通滤波器的输出端则与锁相放大器的输入接口连接；锁相放大器与数据采集卡、数据采集卡与计算机之间的连接关系仍与背景技术相同。为了进一步提高检测精度，在电流前置放大器的反相输入端与锁相放大器的输入之间还并联有一带可调电容及移相器的移相电路。所述可调电容的调节范围为0. I-IOOpF0本发明由于在原子力显微镜(AFM)与锁相放大器之间设置一由电流前置放大器和带通滤波器串联而成的电路、代替背景技术中的调制器(电路)对AFM检测到的电信号进行处理；并在电流前置放大器与锁相放大器之间并联了一带可调电容及移相器的移相器电路，以消除由探针周围环境等引起的杂散电容。从而具有不但可对电子元器件微小区域的电容值C进行准确测定，而且还可提高对电子元器件dC/dV值(变化率)检测的准确性， 为分析电子元器件的物理及电学性能提供准确依据等特点。
图1为本发明微小区电容值的测试系统结构示意图(方框图)；图2为本发明具体实施方式
对AlGaN/GaN异质结的微小区域点进检测结果的C-V 曲线图(坐标)。
具体实施例方式本实施方式中原子力显微镜的型号为(SPA-300HV)，电流前置放大器由采用“积分器-微分器”结构、其输入级由运算放大器0PA627B和反馈电容构成(0PA627B具有低噪声高带宽的特点，IOkHz时的电压噪声密度小于4. 5nV/ V Hz、偏置电流仅lpA，IOOHz的电流噪声密度小于2.5fA/ V Hz)，带通滤波器采用型号为Signal Recovery生产的5113带通滤波器，锁相放大器型号为SR830，可变电容C1本实施方式采用调节幅度为0. l-50pF的可变电容，移相器采用180°移相器，计算机(处理器)采用常规通用计算机，交流/直流电源采用可同时提供0. Ι-lOOkHz、电压为0. 1-5V的交流电和-50-50V可变直流电压的交流/ 直流电源。本实施方式以检测AKiaN/GaN半导体异质结样品为例首先将样品置于原子力显微镜的检测台上、同时使原子力显微镜的探针与样品中心接触；然后调节可变电容C1的值、即在样品与原子力显微镜探针之间施加-20V的直流电压(原子力显微镜的探针为零电位)、调节可变电容C1至计算机显示锁相放大器输出的电压为0止；检测时在样品与原子力显微镜探针之间施加一个50kHz、0. 6V交流电压和一个可由-IOV逐渐增加至IV的可变直流电压，本实施方式以每上升0. IV采集一次电信号数据、并经电流前置放大器、带通滤波器、移相电路及锁相放大器处理后输入计算机处理，并根据
权利要求
1.一种电子元器件微小区域电容值的检测系统，包括原子力显微镜及用于加载电信号的交流/直流电源，锁相放大器、数据采集卡及与之连接的计算机，其特征在于在原子力显微镜与锁相放大器之间还设有电流前置放大器和带通滤波器；电流前置放大器的反相输入端与原子力显微镜的输出端连接、电流前置放大器的输出端则与带通滤波器的输入接口连接，而带通滤波器的输出端则与锁相放大器的输入接口连接。
2.按权利要求1所述电子元器件微小区域电容值的检测系统，其特征在于在电流前置放大器的反相输入端与锁相放大器的输入之间还并联有一带可调电容及移相器的移相电路。
3.按权利要求2所述电子元器件微小区域电容值的检测系统，其特征在于所述可调电容的调节范围为0. I-IOOpF0
全文摘要
该发明属于电子元器件测试用仪器中的电子元器件微小区域电容值的检测系统；包括原子力显微镜及用于加载电信号的交流/直流电源，电流前置放大器，带通滤波器，锁相放大器、数据采集卡及与之连接的计算机，以及带可调电容及移相器的移相电路。该发明由于在原子力显微镜与锁相放大器之间设置了电流前置放大器和带通滤波器，并在在电流前置放大器的反相输入端与锁相放大器的输入之间还并联有一带可调电容及移相器的移相电路，以对电容C进行测定及消除杂散电容的影响。从而具有不但可对电子元器件微小区域的电容值C进行准确测定，而且还可提高对电子元器件dC/dV值(变化率)检测的准确性，为分析电子元器件的物理及电学性能提供准确依据等特点。
文档编号G01R27/26GK102230949SQ20111007820
公开日2011年11月2日 申请日期2011年3月30日 优先权日2011年3月30日
发明者曾慧中, 林媛, 王志红, 韩若冰, 黄文 申请人:电子科技大学