CN104198909B - 一种台面雪崩二极管管芯面积的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种台面雪崩二极管管芯面积的测量方法，包含以下步骤：a）将台面雪崩二级管构成反向工作电气回路，并在回路中串联电流表，台面雪崩二极管的两端分别并联电压表与电容表；b）确定台面雪崩二极管的反向击穿电压V_B；c）对台面雪崩二极管施加不同的反向工作电压；d）读取反向工作电压为V_n时的电容值C_n；e）重复步骤c，读取反向工作电压为V_n+1时的电容值C_n+1；f）根据公式计算台面雪崩二极管管芯面积，由于台面雪崩二极管在反向工作状态下，耗尽层势垒电容可用一定面积耗尽层内的电荷增量与反向偏压变化量的比值来表示，所以根据公式就可以进一步计算出台面雪崩二极管管芯的有源层面积，此方法测量准确，能够消除人为因素带来的误差。

Description

一种台面雪崩二极管管芯面积的测量方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体是一种台面雪崩二极管管芯面积的测量方法。

背景技术

公知的，台面雪崩二极管是利用半导体结构中载流子的碰撞电离和渡越时间两种物理效应而产生负阻的微波固态器件，在毫米波，尤其是三毫米波以上频段的固态功率源中具有极高的应用价值。

为满足雪崩二极管高工作频率和高输出功率的要求，二极管需采用台面结构形式，两电极选用复合金属层材料制备，尽可能地减小电极接触电阻，二极管有源层的雪崩区和漂移区是通过外延生长方式来制备，然后通过湿法腐蚀形成雪崩二极管的台面结构。台面雪崩二极管有源层面积对台面雪崩二极管的输出功率起着决定性的作用，同时它又影响台面雪崩二极管的工作频率等其它参数，所以需要对台面雪崩二极管管芯面积，即管芯有源区的有效面积进行精确控制，确保与设计值一致，管芯有源层面积过小，则承受功率低，容易引起有源层过热烧毁，管芯有源层面积过大，则增加后工序的参数调试难度，影响产品性能的一致性，降低产品成品率。

目前，一般通过光学测量显微镜的十字光标定位测量法测出管芯有源层的直径，再利用圆面积的计算公式得出雪崩二极管管芯有源层面积，但是这一方法有以下缺点：台面雪崩二极管的管芯为立体结构，由于测量者视觉判断等方面的原因，造成显微镜十字定位光标的起始与终止点位置设置方面的偏差，不容易较准确地测量出管芯直径；另外，在雪崩二极管台面结构形成过程中，由于腐蚀液对电极不同金属材料及外延层的腐蚀速率不一样，导致沿着垂直于雪崩二极管台面结构方向的圆直径不一样，有源区向内凹陷，所以利用测量显微镜的测量方式，无法准确地测量出向内凹陷处的直径，只能测出近似的外圆轮廓的直径，这样的测量方法常常带有人为主观因素，对准确确定雪崩二极管管芯面积产生影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种台面雪崩二极管管芯面积的测量方法，该测量方法能够准确地测量出台面雪崩二极管管芯的有源层面积，消除人为因素带来的误差。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种台面雪崩二极管管芯面积的测量方法，包含以下步骤：

a）台面雪崩二级管的正极连接电源的负极，台面雪崩二级管的负极连接电源的正极构成电气回路；将电流表串联在电气回路中，在台面雪崩二极管的两端分别并联电压表与电容表；

b）对台面雪崩二极管施加反向电压，通过电流表监测台面雪崩二极管在反相工作状态下的电流变化量，确定台面雪崩二极管的反向击穿电压V_B；

c）对台面雪崩二极管施加不同的反向工作电压；

d）读取反向工作电压为V_n时的电容值C_n；

e）重复步骤c，并且读取反向工作电压为V_n+1时的电容值C_n+1；

f）根据公式计算出台面雪崩二极管管芯的有源层面积，式中S为台面雪崩二极管管芯有源层面积，q为电荷，ε_s为半导体介电常数，N_D是轻掺杂的基体浓度。

本发明的有益效果是，由于台面雪崩二极管在反向工作状态下，结电容就是耗尽层势垒电容，其大小可用一定面积耗尽层的电荷增量与外加反向偏压变化量的比值来表示，所以对台面雪崩二极管施加反向电压，测得其电容值，就可以进一步计算出台面雪崩二极管管芯的有源层面积，这种方法测量准确，能够消除人为因素带来的误差。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明实施例的测量示意图；

图2是本发明实施例台面雪崩二极管在热平衡状态下单边突变结示意图；

图3是图2中p-n结的空间电荷分布图；

图4是图2中在耗尽区的电场分布图；

图5是图2中p-n结在耗尽区内随距离改变的电势分布图；

图6是台面雪崩二极管在热平衡状态下p-n结的耗尽区宽度与能带表示图；

图7是台面雪崩二极管在正向偏压下p-n结的耗尽区宽度与能带表示图；

图8是台面雪崩二极管在反向偏压下p-n结的耗尽区宽度与能带表示图；

图9是本发明中台面雪崩二极管的结构示意图；

图10是图9的俯视图；

图11是硅片中台面雪崩二级管测量点选择示意图。

具体实施方式

本发明提供一种台面雪崩二极管管芯面积的测量方法，以单漂移区台面雪崩二极管为例，包含以下步骤：

a）如图1所示，台面雪崩二级管30的正极连接电源的负极，台面雪崩二级管30的负极连接电源的正极构成电气回路；将电流表A串联在电气回路中，在台面雪崩二极管30的两端分别并联电压表V与电容表C；

b）对台面雪崩二极管30施加反向电压，通过电流表A监测台面雪崩二极管在反相电压工作状态下的电流变化量，确定台面雪崩二极管的反向击穿电压V_B；当电流表A电流的指示值为5mA时，此时电压表V指示的电压值即为反向击穿电压V_B；

c）在0～（V_B-0.5V）的电压范围内，对台面雪崩二极管施加不同的反向工作电压；

d）读取反向电压为V_n时的电容值C_n；

e）重复步骤c，并且读取反向电压为V_n+1时的电容值C_n+1；

f）根据公式（5）计算出台面雪崩二极管管芯的有源层面积，式中S为台面雪崩二极管管芯有源层面积，q为电荷，ε_s为半导体介电常数， N_D是轻掺杂的基体浓度。

结合图2～图5所示，图中N_D是轻掺杂的基体浓度， N_A是重掺杂的基体浓度， x_n表示n侧耗尽区宽度，表示电势，表示在 x=0处的最大电场，V_bi是内建电势；单漂移区台面雪崩二极管使用单边突变p-n结，即突变结一侧的掺杂浓度远比另一侧高，当p-n结的反向偏压加到某一临界值后，载流子将获得足够的动能，并通过与晶格的碰撞及键断裂来产生电子-空穴对，强电场将加速新产生的电子-空穴对，而这些新的电子-空穴对，又与晶格碰撞，产生更多的电子-空穴对，在雪崩过程持续进行中，p-n结被击穿并传导一个大电流，台面雪崩二极管就是利用这一物理特性，在高频高功率中得到应用。在热平衡状态及无外加偏置电压下，耗尽区宽度W可表示为：（1），公式（1）中ε_s是半导体介电常数，q是电荷，V_bi是内建电势，N_D是轻掺杂的基体浓度。

结合图6～图8所示，图中N_C表示导带底能量， N_V表示价带顶能量，E_F表示费米能级，图6表示在没有外加偏压下，处于热平衡状态时雪崩二极管的耗尽区宽度W和能带图，其能带图显示横跨p-n结的总静电电势是V_bi，从p端到n端其对应的电势差是qV_bi；图7表示在p端相对于n端外加正向偏压V_F ，则跨过p-n结总静电电势减少V_F，因此正向偏压减少耗尽区宽度；图8表示在p端相对于n端外加反向偏压V_R，则跨过p-n结总静电电势增加V_R，因此反向偏压将会增加耗尽区宽度。台面雪崩二极管在外加反向偏压下，将这些电压代入公式（1），得到单边突变结雪崩二极管耗尽区宽度与偏压的方程式为：

(2)

对于正向偏压，V是正值；对于反向偏压，V是负值。

结合图9所示，台面雪崩二极管30的管芯n⁺与外部的连接端面为31、台面雪崩二极管30的管芯p⁺与外部的连接端面为35，台面雪崩二极管管芯的有源层为33；结合图10所示，台面雪崩二极管管芯的有源层面积为36；在二极管p-n结反向电压工作状态下，结电容就是耗尽层势垒电容，其大小可用一定面积耗尽层的电荷增量与外加反向偏压的变化量的比值来表示，其表达式为：

（3）

式（3）中C_n为外加反向偏压V_n时的电容，Q为电荷量。

从公式（3）可以推出台面雪崩二极管有源层面积S的公式为：

（4）

由于内建电势V_bi与温度有关联，随环境的温度变化而变化，因此公式（4）不能直接用来计算台面雪崩二极管管芯有源层的面积S，需要把公式（4）进行变换，消去其中的内建电势V_bi项，推导过程如下：

把公式（4）两边同时平方后再乘以可以得出台面雪崩二极管有源层面积S、反相工作电压V_n、结电容C_n及内建电势V_bi之间的关系表达式：

（4-1）

按照同样方法可以得出台面雪崩二极管有源层面积S、反相工作电压V_n+1、结电容C_n+1及内建电势V_bi之间的关系表达式： （4-2）

将公式（4-1）减去公式（4-2）得到：

（4-3）

将公式（4-3）两边同时乘以，化简后两边开平方可得出台面雪崩二极管管芯的有源层面积计算公式：

（5）

从而根据公式（5）计算出台面雪崩二极管管芯的有源层面积S。

结合图11所示，由于一个硅片60上往往包含几百个台面雪崩二极管管芯，所以选择61、62、63、64与65五点位置的台面雪崩二极管管芯进行测试，只要此五点的台面雪崩二极管管芯的测量面积满足设计要求，那么则可判断整个硅片上的台面雪崩二极管管芯面积基本上满足要求；在实际测量的时候往往会测量多组反向电压下的电容值，分别按照公式（5）计算面积取平均值，以增加测量的准确性；以台面雪崩二极管管芯61为例，按照步骤a将其连接，并且按照步骤b确定其反相击穿下的电压值V_B，之后按照步骤c～e对台面雪崩二极管管芯施加一系列的反向工作电压并测量与其对应电容值：在外加反向偏置电压等于0V时，测量此时的电容值，分别记为V₁、C₁；在外加反向偏置电压值等于V_B-0.5V时，测量此时的电容值，分别记为V₁₁、C₁₁；然后，分别在台面雪崩二极管的反相偏置电压0.2V～（V_B-2V）范围内，由小到大依次选取9个不同的测试工作点下相应的电压、电容值，并把它们分别记为V₂、C₂，V₃、C₃，V₄、C₄，V₅、C₅，V₆、C₆，V₇、C₈，V₉、C₉，V₁₀、C₁₀；根据台面雪崩二极管已知的轻掺杂基体浓度，由公式（5）计算出台面雪崩二极管管芯有源层面积S₁、S₂、S₃……S₁₀，然后取平均值，即得到台面雪崩二极管管芯有源层面积S；同样的，按照上述方法，分别计算出62、63、64与65被测点处的台面雪崩二极管管芯有源层的面积，进而判断出整个硅片上的台面雪崩二极管管芯是否满足要求。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (1)

1.一种台面雪崩二极管管芯面积的测量方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：

a）台面雪崩二级管(30)的正极连接电源的负极，台面雪崩二级管(30)的负极连接电源的正极构成电气回路；将电流表(A)串联在电气回路中，在台面雪崩二极管的两端分别并联电压表(V)与电容表(C)；

b）对台面雪崩二极管施加反向电压，通过电流表(A)监测台面雪崩二极管在反向工作状态下的电流变化量，确定台面雪崩二极管的反向击穿电压V_B；

c）在0～（V_B-0.5V）的电压范围内，对台面雪崩二极管施加不同的反向工作电压；

d）读取反向工作电压为V_n时的电容值C_n；

e）重复步骤c)，并且读取反向工作电压为V_n+1时的电容值C_n+1；

f）根据公式计算出台面雪崩二极管管芯的有源层面积，式中S为台面雪崩二极管管芯有源层面积，q为电荷，ε_s为半导体介电常数， N_D是轻掺杂的基体浓度。