Keithley4200-SCS 半导体特性分析产品介绍

利用正向压降测量结点温度半导体结点(从IC中数以百万计的晶体管到实现高亮度LED的大面积复合结点)可能由于不断产生的热而在早期发生故障。

当特征尺寸缩小且电流要求提高时，这将成为一个非常严重的问题，甚至正常操作也可能聚积热量，使结点温度升高。

温度上升可能增加结点内的缺陷数量，从而导致器件的性能下降、生命周期缩短。

因此，需要一种准确的温度测量方法来测量半导体器件的温度，以避免产生可能导致故障的高温。

有一种方法很简单，即测量结点温度。

它可以使用常用测试和测量仪器，测量结果可被用来监视特定器件的工作状况。

测量结点温度的理想方法是在尽可能离热源近的地方监视器件温度。

流过半导体结点的电流产生热，这些热量经过结点材料流向外部世界。

另一种方法是将温度传感器放在非常靠近半导体结点的位置，并且测量传感器的输出信号。

随着热量流向外部区域，外部区域和传感器的温度升高。

尽管这是一个很直接的过程，但由于传感器尺寸有限，所以该方法具有许多物理上的限制。

在很多情况下，传感器本身比要测量的结点的尺寸大，这就会给系统增加大量的热，同时带来额外的测量误差，从而降低测量准确度。

因此，这种方法几乎对大多数应用都没有用。

图1：在测试设置中，SMU被用来描述半导体的正向压降与结点温度的关系。

一种更好的解决方法是利用结点本身作为温度传感器。

对大多数材料来说，结点正向压降和结点温度之间都存在密切的相关性。

什么时候结点正向压降与结点温度呈非线性关系取决于结点的材料和设计。

在温度高达80°C至100°C的正常工作环境中，假设大多数材料的结点正向压降与结点温度为线性是安全的。

非线性特性可以通过实验方法来确定，即在更高的环境温度下测量电压，直到结点正向压降与结点温度为非线性。

对于大多数器件而言，这种关系接近线性关系，可以用数学公式表达如下：T J=(m×V F)+T0(1)其中，T J=结点温度(单位：°C)；m=斜率(与器件相关的参数，单位：°C/V)；V F=正向压降；T0=截距(与器件相关的参数，单位：°C)。

半导体特性分析实验（PN结I-V特性测试）在微电子和固态电子学领域，半导体PN结几乎是构成一切有源器件以及像二极管一些无源器件的最基本单元。

本实验的目的是了解PN结的基本I-V特性，包括有非线性、整流性质，学习曲线拟合方法，求出波尔兹曼常数。

一、实验目的了解PN结的基本特性，掌握PN结的伏安特性，学习曲线拟合方法，求出波尔兹曼常数。

二、实验内容测试未封装PN结的I-V特性曲线，进行曲线拟合，求出波尔兹曼常数。

三、仪器设备4200-SCS半导体特性测试系统，二极管，探针台四、实验原理1、PN结的伏安特性在半导体材料中，P型区域与N型区域的交界处附近会形成一个特殊的区域，这个区域叫PN结。

PN结是半导体器件的核心，检测半导体器件实际上就是通过外部引脚测量内部PN结。

PN结具有三个重要参数：单向导电；正向导通压降；反向击穿电压，它们是判断PN结好坏、识别无标识的半导体器件类型和各引脚电极的主要依据。

二极管就是一个单独封装的PN结。

在未封装前检测PN结，进行实时监控，可以更及时迅速发现质量问题，减少浪费。

单向导电：当给PN结施加正向电压时，即正极（连接到P区）接正、负极接负（联结到N区）接负。

PN结呈现为导通状态，有正向电流流过，并且该电流将随着正向电压的增加，急剧增大。

当给PN结施加相反的电压时，二极管呈现为截止状态，只有少量的穿透电流I BO（µA级以下）流过。

正向导通压降：PN结上加上正向电压导通后，会保持一个相对固定的端电压VF，VF称为“正向导通压降”，其数值依选用的半导体基材不同而有别，锗半导体约为0.3V；硅半导体约为0.7V。

反向击穿电压：当给PN 结施加的反向电压值达到其所能承受的极限值（反向击穿电压VZ ，大小因不同的PN 结有别）时，二极管呈现为导通状态，且在允许的反向电流范围内，其端电压会基本保持为VZ ，即PN 结反向击穿后具有“稳压特性”。

这些参数都可以在伏安特性曲线也就是PN 结的I-V 特性曲线上可以得到。

物 理 学 报第 55 卷 第 5 期 2006 年 5 月 100023290Π2006Π55 (05) Π2518205V ol . 55 ,No . 5 ,May ,2006ν 2006 Chin. Phys. S oc .ACTA PHY SICA SINIC A金刚石膜α 粒子探测器的电学性能研究3王林军†刘健敏 苏青峰 史伟民 夏义本( 上海大学材料科学与工程学院 ,上海 200072) (2005 年 7 月 5 日收到 ;2005 年 11 月 2 日收到修改稿)从外加偏压 、预辐照处理等方面对三明治结构金刚石膜探测器在 α粒子辐照下的电学性能进行了研究 . 电流2 电压特性和脉冲高度分布测试和分析表明 ,金刚石膜探测器在能量为 515MeV 的241 Am α粒子辐照一定时间后 ,其暗 电流有所增加 . 探测器顶电极施加负偏压时 ,在α粒子辐照下得到的净电流和信噪比均较大 . Raman 光谱测试表明 , 造成上述现象的原因很可 能 是 金 刚 石 膜 厚 度 方 向 的 不 均 匀 性 分 布 . 负 偏 压 下 探 测 器 对α 粒 子 的 能 量 分 辨 率 为2510 % ,优于正偏压下的能量分辨率 (3814 %) . 随着 α粒子辐照时间的延长 ,探测器的净电流和电荷收集效率均有明显增加 .关键词 : 金刚石薄膜 , 辐射探测器 , 电学性能 , 脉冲高度分布PACC : 7360 , 2970 , 8115 H性 、预辐照处理等方面对探测器在 α粒子辐照下的电学性能进行了研究 ,试图建立外部工作条件 、金刚石薄膜质量与探测器性能之间的关系 ,为获得高性 能 α粒子探测器提供依据 .11 引 言金刚石具有独特的优异性能1 —5 , 如高的抗辐照强度 ,快的载流子迁移率 ,可于高温下正常工作 , 具有与人体组织等效的原子序数 ( 6) 和最佳的热导率 (20 W ·cm - 1 ·K - 1) ,由此带动了人造金刚石膜 ( 尤 其是 C VD 金 刚 石 膜) 在 辐 射 探 测 领 域 中 的 应 用 研 究6 —8 . C VD 金刚石正在发展应用于下一代适合于 恶劣环境下工作的新型辐射探测器9 ,10 . 1994 年起 欧洲核子研究中心 ( CERN ) 投入巨资实施了由多国 专家参加的 R D42 研究计划进行金刚石膜粒子探测器的研究 ,CER N 最新研究表明 ,即使在 4 ×1014中子 Πcm 2 ,6 ×1014 介 子Πcm 2 和 106 G y 的 电 子 和 光 子 如 此 高通量剂量下 ,金刚石的电学性能也不会降低. 研究表明 ,金刚石膜粒子探测器的电荷收集效 率 、灵敏度等性能参数强烈依赖于金刚石薄膜的质21 实 验采用热丝辅助化学气相沉积 ( HFC VD ) 法在 p 型 硅衬底 (电阻率为 4 —7 Ω·cm ) 上制备金刚石膜 ,具 体的制备工艺和沉积参数见文献 15 . 为了除去薄 膜表面 的 非 金 刚 石 相 , 将 金 刚 石 膜 臵 于 浓 硫 酸 和 50 %硝酸混合液中处理 30 min ,接着再在 500 ℃氩气气氛中退火 1 h 除去薄膜表面氢 ,以减小探测器的表面漏电流7. 用真空热蒸发法在金刚石膜的生长 面制备直径为 1 mm 、厚度分别为 50 nm 和 150 nm 的C r ΠAu 复合层作为信号输出端 , 硅 衬 底 作 为 背 接 触接地以形成三明治结构的金刚石膜探测器. 随后 ,探 测器在 450 ℃氩气气氛中退火 45 min ,以改善电极与 金刚石膜的欧姆接触性能 .采用 K eithley 42002SC S 半导体特性分析系统测 量了能量为 515MeV 的241 Am α粒子辐照下探测器的 量11 —13,多晶金刚石薄膜中存在的缺陷作为载流子 的俘获与复合中心是影响探测器电学性能的主要因 素 ,并认为通过增大晶粒尺寸 、增加薄膜厚度 、采用100 定向生长薄膜等方法可一定程度上改善金刚石膜探测器的性能14. 本工作则在采用 100 定向 、大晶粒金刚石薄膜的基础上 ,从探测器外加偏压极电流特性 . 信号输出电极通过电荷灵敏前臵放大器 、线性成形放大器 (gain = 12 k ; shaping 2tim e = 3 μs ) 及3 国家自然科学基金 ( 批准号 :60277024 ,60577040) 、上海应用材料研究与发展基金 ( 批准号 :0404) 、上海市纳米专项 ( 批准号 :0452nm051) 和 上海市重点学科 ( 批准号 : T 0101) 资助的课题. † E 2mail : ljw ang @staf f . shu. edu. cn多道脉冲分析器等 Ortec 公司组件组成的微机多道 谱仪进行数据采集和处理 ,以此系统测试并研究探 测器的脉冲高度分布和电荷收集效率 . 辐射源在室 温下臵于离探测器 1 cm 处进行测试 .31 结果与讨论311 探测器的暗电流2电压特性图 1 给出了由扫描电子显微镜 ( S E M ) 下观察到 的金刚石膜的表面形貌. 生长面的晶粒大小为～10 μm ,且呈明显的 100 取向生长 . 一般认为 , 100 定 向的金刚石膜具有最佳的电学性能和表面平整度 , 有利于获得高性能辐射探测器16 ,17 . 由金刚石膜剖 面图可知膜的厚度约为 20 μm , 并且可清晰看到薄 膜为柱状生长 .图 2 CV D 金刚石α粒子探测器的暗电流和净电流随外加偏压 变化曲线压的增加而增加. 在高达 150V 的偏压条件下表现出 线性关系. 探测器在工作时 α, 粒子照射下在金刚石中将产生自由载流子 (电子2空穴对) ,它们在外加电场作用下 ,分别向各自电极迁移 ,从而在电极上引起瞬时信号 ,其净电流满足表达式18:E de p μτV = q ε , (1)I net Lp 其中 q 是电子基本电量 ,εp 是在金刚石中生成一个 电子2空穴对的平均 能 量 ( ～ 1312eV ) ,μτ 是 载 流 子 迁移率2寿命乘积 , V 是外加偏压 , L 是电极间距即- 1探测器厚度 , E de p ( k eV ·s ) 是单位时间沉积的能量 . 可见 ,净电流正比于外加电场 . 然而金刚石膜中存在大量晶界 ,在高电场强度下晶界对载流子 (尤其是空穴) 具有很强的散射作用 ,使 μτ乘积表现出强烈的 电场依赖性 ,并由薄膜质量所决定 ,受到缺陷浓度的 制约. 因此在高偏压条件下净电流随外加电场的变 化将偏离线性关系 ,特别是当晶界浓度较大 ,即晶粒 较小时 ,这种现象更为明显.α粒子入射金刚石膜时容易受到离化 、碰撞和 散射等各种效应的影响 . 如果考虑空气层和电极层 对粒子的吸收 ,515MeV α粒子在金刚石膜中的射程 图 1 CV D 金刚石膜生长表面的 SEM 照片图 2 给出了探测器的暗电流随外加偏压的变化 情况. 暗电流在正反向电场下表现为较好的线性对称 ,表明金刚石与接触电极直至 ±150V 都具有好的 欧 姆 接 触 特 性 , 暗 电 流 在 - 100 V 电 压 下 只 有312nA. 图 2 同时给出了探测器在241Am α粒子辐照 2 h 后测得的暗电流 . 很明显 , 经过α 粒子预辐照后 , 暗电流 略 有 增 加 , - 100V 偏 压 下 , 暗 电 流 增 加 到 413nA. 由于金刚石薄膜的多晶特性 ,晶界中存在各种杂质和缺陷 ,移走辐射源后被浅能级陷阱中心俘获的载流子在外加电场作用下将重新释放出来 ,从 而引入额外电流.19仅为～14μm . 本文所用的金刚石膜厚度为 20μm , α粒子主要在薄膜近生长面被吸收 ,辐射产生的载流子在向背电极迁移过程中会经历较长的距离. 由于未掺杂的金刚石膜呈现弱 p 型导电 , 因此对于α这种短射程粒子来说 ,空穴和电子对输出信号贡献的不同地位显得尤为突出 .定义探测器净电流与暗电流的比值为探测器信 噪比 ( S NR ) ,表 1 给出了探测器在施加不同极性偏 ( )312 α 粒子辐照下探测器的响应特性图 2 同时给出了探测器在α粒子辐照下测得的 电流随外加偏压的变化情况 . 这里的电流为总电流 减去暗电流 (以下所称电流为净电流以示区别) . 从2520 物 理 学 报 55 卷加负偏压时 ,得到的净电流和信噪比均较大. 造成上 述现象的原因很可能是金刚石晶粒柱状生长引起的 厚度方向的不均匀性 . 我们对金刚石薄膜的生长面 和衬底 成 核 面 进 行 了 R am an 光 谱 测 试 ( 如 图 3 所 示) . 可 以 看 出 , 金 刚 石 膜 成 核 面 与 生 长 面 分 别 在1334cm - 1 ,1332cm - 1附近出现尖 锐 的 金 刚 石 拉 曼 散射峰 , 但 对 应 于 非 金 刚 石 相 ( sp 2、晶 界 等 缺 陷 ) 的1550 cm - 1附近的散射峰强度 ,成核面明显比生长面 要大. 表明 ,相对生长面来说 ,成核面具有更多的晶 界 、sp 2键 、杂质缺陷等非金刚石相. 因此 ,当探测器顶电极施加正偏压时 ,电子迁移距离较短 ,很快被收 集 ,而空穴要迁移更长的距离且要经过高陷阱中心 浓度的成核面 . 当探测器顶电极施加负偏压时 ,空穴 只在生长面附近迁移较短的距离就能被收集 ,受到 晶界或陷阱中心的散射和俘获概率大大降低 ,使器 件信噪比较高 . 同时 ,我们进一步的实验发现 ,金刚 石晶粒越大 ,探测器信噪比越高 ,归功于薄膜中含有 越少的晶界和缺陷.表 1 金刚石膜探测器在 ±100V 时的暗电流和净电流值图 3 金刚石薄膜生长面和成核面的 Raman 光谱+ 100V - 100V 暗电流ΠnA 净电流ΠnA信噪比 SNR313131641121- 312- 151041688在 ±100V 偏压下 ,采用微机多道谱仪测量了探 测器对 515 MeV 241 Am α粒子的脉冲高度分布 ( PH D ) 谱 ,如图 4 所示. 实际测量时间 600s ,偏压加在探测 器背电极 ,顶电极接地连接到电荷灵敏前臵放大器 组成的微机多道谱仪进行信号输出 . 两个脉冲高度 谱都显示了一个很明显的 515 MeV α 粒子能量峰 , 并且脉冲高度峰明显地从底部噪声中分离 ,表明器 件具有较高的信噪比 . 偏压极性对α粒子探测器性 能的影响明显 ,负偏压下具有更高的 PH D 峰 ,这主 要是由于α 粒子在金 刚 石 薄 膜 中 较 短 的 射 程 引 起 的 ,离化主要发生在薄膜生长面 ,载流子在外电场作 用下需要迁移较大的距离 ,因此电子和空穴不同地 位的显现更加明显. 探测器能量分辨率 ε定义为半高宽 ( FWH M ,Δ E ) 与全能峰的比值 ,即 ε=Δ E ΠE . 利 用 MAESTR O 232 数据处理软件对谱线进行寻峰 , 探 测器 在 100V 和2100V 偏 压 下 , 能 量 分 辨 率 分 别 为3814 %和 2510 %. 探测器施加负偏压时 ,主要输出电 子电流信号 ,晶界等缺陷对电子比空穴的散射作用 小 ,因此探测器信号损失小 ,能量分辨率好 .图 4 金刚石膜探测器的脉冲高度分布谱313 α 粒子预辐照时间对探测器性能的影响为了深入研究陷阱中心对载流子的俘获效应 ,我们测试了金刚石膜探测器顶电极施加 - 100V 偏压时净电流随α粒子辐照时间在 30min 内的演化过 程 (如图 5 所示) . 发现随着辐照时间的变化 ,净电流 逐渐增大 . 一般来说 ,多晶金刚石膜的晶界处存在各 种缺陷和杂质 ,引入的陷阱中心会俘获载流子 ,从而 引起极化效应 . 辐照开始初期 ,大量的陷阱中心不断地被载流子填充而减少 ,致使净电流随着辐照时间 的增加而不断增大. 一段时间后 ,被俘获的载流子数与释放的载流子数将达到动态平衡 ,此时光电流最 终趋向饱和 . 因此 ,我们可以认为 ,如果将 C VD 金刚 石探测器进行一定时间的预辐照 ,将明显提高器件稳定性和灵敏度.图 6 和图 7 分别给出了 C VD 金刚石探测器电 荷收集效率谱和平均电荷收集效率随辐照时间的变 化情况. 测试条件为 :探测器背电极加 100V 偏压 ,数据获取时间 5s ,测试间隔时间 5min. 随着辐照时间 的延长 ,电荷收集效率不断提高 ,平均电荷收集效率 从 1914 %提高到了 3114 % ,并且一开始平均电荷收 集效率增加很快 ,接着增速放慢并趋向稳定 . 电荷收 集效率和净电流随辐照时间的变化趋势相一致 ,主 要是由于随着辐照时间的变化 ,陷阱中心不断地被 载流子填充而减少 ,致使收集的电荷数不断增多. 因 此 ,在探测器工作前 ,为了获得高的探测效率和灵敏 度及稳定的探测性能 ,可以对探测器进行合适的预 辐照.集效率应该尽量降低金刚石层厚度 . 同时 ,薄的金刚 石层 也 可 减 小 材 料 性 质 的 不 均 匀 性 , 但 为 使 515 MeV α粒子的能量能够全部沉积在探测器内 ,就必 须使薄膜厚度 ≥15μm. 图 7 探测器平均电荷收集效率随辐照时间的变化曲线41 结论100 定 向 金 刚 石 膜 探 测 器 在 能 量 为 515MeV的241 Am α 粒 子 辐 照 一 定 时 间 后 , 其 暗 电 流 有 所 增加 ,归功于多晶金刚石薄膜中浅能级陷阱中心俘获的载流子在外加电场作用下重新释放的过程 .电流2电压特性测试表明 ,探测器顶电极施加负偏压时 ,在α粒子辐照下得到的净电流和信噪比均较大. R am an 光谱测试表明 ,造成上述现象的原因很可能是金刚石晶粒柱状生长引起的厚度方向的不均匀性分布 . 相对金刚石膜生长面来说 ,成核面具有更多的晶界 、sp 2键 、杂质缺陷等非金刚石相 . 脉冲高度分布谱测试表明 ,负偏压下探测器对α粒子的能量分辨 率 为 2510 % , 优 于 正 偏 压 下 的 能 量 分 辨 率(3814 %) .同时 ,电流2电压特性和脉冲高度分布谱测试表明 ,C VD 金刚石探测器随着α粒子辐照时间的延长 ,探测器的净电流和电荷收集效率均有明显的增加 , 30min 的预辐照可以使探测器的平均电荷收集效率从 1914 %提高到 3114 % ,归功于金刚石膜中陷阱中心上载流子的俘获与释放的动态过程 . 表明 ,在探测器工作前 , 为了获得高 的 探 测 效 率 、灵 敏 度 及 稳 定性 ,可以对探测器进行合适的预辐照 .图 5 探测器净电流随辐照时间的变化情况图 6 探 测 器 电 荷 收 集 效 率 随 辐 照 时 间 的 变 化 情 况. 曲 线 1 :5min ;曲线 2 :10min ;曲线 3 :15min ;曲线 4 :20min ;曲线 5 :25min另外 ,人们对高能粒子探测的兴趣主要因为在 探测器中所沉积的能量与材料厚度成正比 ,然而对 于短程入射粒子 ( 如α粒子) 来说 ,能量是沉积在材料表 面 十 几μm 处 , 因 此 为 了 提 高 探 测 器 的 电 荷 收2522物 理 学 报 55 卷1 ]Shen H J , Wang L J , Fang Z J , Zhang M L , Y ang Y , Wang L , X iaY B 2004 Acta Phys . Sin . 53 2009 (in Chinese ) [ 沈沪江 、王林军 、方志军 、张明龙 、杨 莹 、汪 琳 、夏义本 2004 物理学报53 2009 ]Li J J , Wu H H , Long B Y , L üX Y , Hu C Q , Jin Z S 2005 ActaPhys . Sin . 54 1447 (in Chinese ) [ 李俊杰 、吴汉华 、龙北玉 、吕宪义 、胡超权 、金曾孙 2005 物理学报 54 1447 ]Ma B X , Y ang S E , Y a o N , Zhang B L , Fan Z Q , Lu Z L 2004Acta Phys . Sin . 53 2287 ( in Chinese ) [ 马丙现 、杨仕娥 、姚宁 、张兵临 、樊志勤 、鲁占灵 2004 物理学报 53 2287 ]Wang Z J , D ong L F , Shang Y 2005 Acta Phys . Sin . 54 880 ( i n Chinese ) [ 王志军 、董丽芳 、尚 勇 2005 物理学报 54 880 ] D ong L F , Ma B Q , Wang Z J 2004 Chin . P hys . 13 1597 V atnitsk Y S. Jaervinen H 1993 Phys . Med . Bio l . 38 173 Wang L J , X ia Y B , Shen H J , Zhang M L , Y ang Y , Wang L 2003J . P hys . D : Appl . Phys . 36 2548Lou Y Y , Wang L J , Zhang M L , G u B B , Su Q F , X ia Y B 2005Chinese J o urnal o f Semiconductors 26 53 (in Chinese ) [ 楼燕燕 、王林军 、张明龙 、顾蓓蓓 、苏青峰 、夏义本 2005 半导体学报 2653 ]K eil M , Adam W , Berdermann E , Bergonz o P , de Boer W , BoganiF , Borchi E , Brambilla A 2003 Nucl . Instr . Meth . A 501 153Foulon F , Bergonz o P , A m osov V N , K aschuck Y u , Frunz e V , Tr omson D , Brambilla A 2002 Nucl . Instr . Meth . A 476 495Jany C , Tardieu A , Gicquel A , Bergonz o P , Foulon F 2000 Diam . Relat . Mater . 9 1086Marinelli Macr o , M ilani E , Pa oletti A , Tucciar one A , Ver ona Rinati G , Angelone M 2001 Diam . Relat . Mater . 10 645 Marinelli Marc o , M ilani E , Pa oletti A , Tucciar one A , Ver ona Rinati G , Angelone M , Pillon M 2001 J . Appl . Phys . 89 1430 A chard J , Tardieu A , K anaev A , G icquel A , Castex M C , Y okota Y , H ayashi K , Tachibana T 2002 Diam . Relat . Mater . 11 423 Zhang M L , X ia Y B , Wang L J , G u B B , Su Q F , Lou Y Y 2004J . Crystal Growth 274 21Wang L J , Xia Y B , J u J H , Zhang W G 2000 Diam . Relat .Mater . 9 1617Bergonz o P , Brambilla A , Tr omson D , Mer C , G uiz ard B , Foulon F and A m osov V 2001 Diam . Relat . Mater . 10 631Salvatori S , Rossi M C , G alluz z i F , Pace E 1997 Diam . Relat .Mater . 6 361Bergonz o P , Brambilla A , Tr om son D , Mer C , G uiz ard B , Marshall R D , Foulon F 2002 Nucl . Instr . Meth . A 476 69410 ]11 ] 2 ]12 ] 3 ]13 ] 14 ] 4 ] 15 ]5 ]6 ]7 ] 16 ] 17 ]8 ]18 ] 19 ]9 ]alp h a 2p article det e c to r s dia mo n d film s 3Ele c tric a l p r op ertie s of ba s e d o n CVD Wang Lin2J u n † Liu Jian2Min Su Qing2Fen Shi W ei 2Min X ia Y i2B en( Schoo l of Ma teria ls Science and Engineering , S h angha i 200072 , China ) ( Received 5 J u ly 2005 ; revised manuscr ipt received 2 N ovember 2005)AbstractThe influences of the a pplied bias v oltage and the pre 2irradiati on treatm ent by al pha particles on the electrical pr operties ofsandwich structural diam ond film detect ors under 515 MeV 241 Am alpha2particle irradiati on were investigated. R esul ts of current 2voltage ( I 2V ) and pulse hei ght distributi on m easurem ents showed that the dark current of the diam ond film detect or w ould increasedue to the pre2irradiati on by al pha parti cles. Under the al pha irradiati on , the detector under negative bias v oltage had a hi gherresponse current and a better si gnal 2to2noise rati o than that under a positive bias. R am an scattering studies directly dem onstrated that the above phenom enon resulted m ainly from the di fferent structural im perfecti on distributi ons al ong the thickness directi on. An energy resoluti on of about 2510 % was obtained for the detect or under a negative bias voltage and 3814 % under a positivebias v oltage . With increasing al pha 2particle irradiati on tim e , both the response current and the charge collecti on efficiency increased obvi ously.K ey w ord s : diam ond film s , radiati on detectors , electrical pr operties , pulse height distributi on PACC : 7360 , 2970 , 8115 H 3 Pr ojects supported by N ational N atural Science Foundation of China ( G rant No . 60277024 , 60577040) the Shanghai Foundation of A pplied Mate r ia lsResearch and D evelopment ( G rant No . 0404) , the N ano 2Technology Pr ojects of Shanghai ( G rant No . 0452nm051 ) and the K ey Subject C onstruc ti on Pr oject ( G rant N o . T0101) of Shanghai .† E 2mail : ljw ang @staf f . shu. edu. cn。

㊀２０２１年㊀第３期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２１㊀Ｎｏ．３㊀基金项目：山西省重点研发计划项目（２０１９０３Ｄ１２１１２３）；山西省自然科学基金项目（２０１８０１Ｄ１２１１５７，２０１８０１Ｄ２２１２０３）；高等学校科技创新项目（１８１０６００１０８ＭＺ）；重点实验室基金（６１４２００１１９０４１４）；２０２０年中央引导地方科技发展资金自由探索类项目（Ｚ１３５０５０００９０１７）收稿日期：２０２０－０２－２６基于碳化硅材料的电容式高温压力传感器的研究梁㊀庭，贾传令，李㊀强，王心心，李永伟，雷㊀程（中北大学，电子测试技术重点实验室，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原㊀０３００５１）㊀㊀摘要：针对现有的硅基高温压力传感器不满足更高温度环境（ȡ５００ħ）下测试需求的问题，设计并制备了一种基于碳化硅（ＳｉＣ）材料的电容式高温压力传感器㊂利用ＩＣＰ刻蚀工艺和直接键合工艺实现了气密性良好的敏感绝压腔结构，结合金属沉积㊁金属图形化等ＭＥＭＳ工艺制备了感压敏感芯片㊂搭建了压力－温度复合测试平台，完成了传感器在０ ６００ħ环境下压力－电容响应特性的测试㊂测试结果表明，在０ ３００ｋＰａ内，该传感器灵敏度为４．５１ˑ１０－３ｐＦ／ｋＰａ，非线性误差为２．８３％；同时测试结果也表明该传感器的温度漂移效应较低，０ ６００ħ环境下电容变化量为８．５０ ８．６５ｐＦ㊂关键词：微机电系统；碳化硅；电容式高温压力传感器；直接键合中图分类号：ＴＮ２１２㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２１）０３－０００１－０３ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＣａｐａｃｉｔｉｖｅＨｉｇｈＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＰｒｅｓｓｕｒｅＳｅｎｓｏｒＢａｓｅｄｏｎＳｉＣＬＩＡＮＧＴｉｎｇ，ＪＩＡＣｈｕａｎ⁃ｌｉｎｇ，ＬＩＱｉａｎｇ，ＷＡＮＧＸｉｎ⁃ｘｉｎ，ＬＩＹｏｎｇ⁃ｗｅｉ，ＬＥＩＣｈｅｎｇ（ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｓｔａｎｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆ＤｙｎａｍｉｃＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００５１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｓｉｌｉｃｏｎ⁃ｂａｓｅｄｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅｄｅｖｉｃｅｄｉｄｎｏｔｍｅｅｔｔｈｅｔｅｓｔｒｅ⁃ｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｕｎｄｅｒｈｉｇｈｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ（ȡ５００ħ），ａｃａｐａｃｉｔｉｖｅｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒｂａｓｅｄｏｎｓｉｌｉｃｏｎｃａｒｂｉｄｅ（ＳｉＣ）ｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｐｒｅｐａｒｅｄ．ＴｈｅＩＣＰｅｔｃｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｔｈｅｄｉｒｅｃｔｂｏｎｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅａｓｅｎｓｉｔｉｖｅａｎｄａｂｓｏｌｕｔｅｐｒｅｓｓｕｒｅｃａｖｉｔｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｇｏｏｄａｉｒｔｉｇｈｔｎｅｓｓ，ａｐｒｅｓｓｕｒｅ⁃ｓｅｎｓｉｔｉｖｅｃｈｉｐｗａｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄｂｙｃｏｍｂｉｎｉｎｇＭＥＭＳｐｒｏｃｅｓｓｅｓｓｕｃｈａｓｍｅｔａｌｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｍｅｔａｌｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ．Ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅ⁃ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｔｅｓｔｐｌａｔｆｏｒｍｗａｓｂｕｉｌｔ，ａｎｄｔｈｅｐｒｅｓ⁃ｓｕｒｅ⁃ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｒｅｓｐｏｎｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄａｔ０ ６００ħ．Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｉｓ４．５１ˑ１０－３ｐｆ／ｋＰａａｎｄｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｅｒｒｏｒｉｓ２．８３％ａｔ０ ３００ｋＰａ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓａｌｓｏｐｒｏｖｅｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｒｉｆｔｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｉｓｌｏｗａｎｄｔｈｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｃｈａｎｇｅｉｓ８．５０ ８．６５ｐＦａｔ０ ６００ħ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＥＭＳ；ＳｉＣ；ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒ；ｄｉｒｅｃｔｂｏｎｄｉｎｇ０㊀引言高温压力传感器广泛应用于深空探测㊁航空航天㊁大飞机和涡轮式发动机等许多国家重大工程和民用工程［１］㊂目前硅基压力传感器应用较多，但由于在超过５００ħ环境下硅材料易氧化㊁易腐蚀且发生塑性变形限制了其进一步高温应用［２－３］㊂近年来，基于新材料㊁新结构的高温压力传感器成为新的研究方向㊂ＳｉＣ材料具有抗辐射㊁耐化学腐蚀㊁高热导率㊁高硬度和弹性模量等特性成为制作高温㊁高频等ＭＥＭＳ器件的理想材料［４］㊂压力传感器的工作原理主要有压阻式和电容式，压阻式一般对工作温度较为敏感，且需要温度补偿，而电容式压力传感器受温度影响较小，因此本文提出一种基于ＳｉＣ材料的电容式耐高温压力传感器，采用变间距式结构，具有灵敏度高及低非线性等优点［５－６］㊂１㊀工作原理与结构设计１．１㊀工作原理本实验制备了电极板裸露在电容腔外部的变间距式的电容式压力传感器，其结构如图１所示㊂图１㊀变间距式电容压力传感器结构图㊀㊀㊀㊀㊀２㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＭａｒ．２０２１㊀当传感器下极板的位置不发生变化，上极板受到外界压力时，使两极板间距ｔｇ改变，从而使电容值发生变化［７］㊂传感器初始电容Ｃ０的计算如式（１）所示：Ｃ０＝４ε０ａ２ｔｇ＋ｔｍ１＋ｔｍ２εｒ（１）式中：ｔｇ为电容腔间距；ａ为正方形敏感膜边长；ε０为敏感膜材料（ＳｉＣ）介电常数，ε０＝８．８５４１８７８１７ˑ１０－１２Ｆ／ｍ；εｒ为真空介电常数；ｔｍ１为电容腔顶部距上极板厚度；ｔｍ２为电容腔底部距下极板间厚度㊂１．２㊀结构设计本文针对电容式高温压力传感器的敏感膜片和电容腔结构进行设计㊂为了使传感器工作在更宽的线性输出区域，一般要求敏感膜片的最大挠度小于膜厚的１／５，同时还应满足敏感薄膜表面最大应力差小于ＳｉＣ的破坏应力的１／５㊂综合上述考虑，敏感膜厚约束如式（２）所示：ωｍａｘ＝０．０１３８ｐａ４Ｅｔ３＜ｔ５ｍａｘ（｜σｘ－σｙ｜）＝０．３０８ｐａ４ｔ２ɤσｍ５ìîíïïïï（２）式中：ωｍａｘ为敏感膜片的最大变形量；σｘ㊁σｙ分别为横向应力与纵向应力；ｔ为敏感膜厚；敏感膜片边长ａ＝３０００μｍ；量程ｐ＝３００ｋＰａ；杨氏模量Ｅ＝４５３．５ＧＰａ；屈服强度σｍ＝２１ＧＰａ㊂综合上述两个计算得到敏感膜厚的范围为ｔ＞４３．８５μｍ，并结合本实验室的ＭＥＭＳ加工条件，取敏感膜厚ｔ＝４５μｍ㊂为了提高传感器的灵敏度，尽可能增大传感器的初始电容值，由式（１）可知，在电容极板厚度和结构相对介电常数确定及相同的外界压力的情况下，灵敏度与ｔｇ成反比，可见通过减小电容间距可以提高传感器灵敏度㊂结合工艺条件，设计电容极板间距为１０μｍ，即电容空腔深度为１０μｍ㊂由以上设计可知，敏感膜片整体厚度为５５μｍ，且初始电容值Ｃ０＝６．０５ｐＦ㊂由于５５μｍ厚度的ＳｉＣ晶片非常脆且易碎，采用晶圆减薄工艺难以实现上述敏感膜片的制备㊂为使敏感膜片变得更加结实且保证敏感膜片厚度，本实验采用晶圆背面深刻蚀工艺㊂２㊀碳化硅电容式高温压力传感器制备为了提高传感器的灵敏度，敏感芯片采用导电型的碳化硅晶圆和半绝缘型碳化硅晶圆相结合制备而成，具体工艺流程如图２所示㊂首先将４Ｈ－ＳｉＣ晶圆背面减薄到１５０μｍ，清洗后旋涂ＡＺ５２１４光刻胶，在ＳｉＣ正面进行光刻，胶厚度控制在２μｍ左右；接着溅射５００ｎｍ的金属镍，通过剥离工艺打开刻蚀窗口；利用ＩＣＰ刻蚀ＳｉＣ１０μｍ，使用稀硝酸腐蚀多余的镍掩膜得到电容空腔，上述的工艺加工完成了电容结构的空腔制备，具体工艺流程如图２（１） （６）所示㊂接着在碳化硅背面进行深刻蚀，从而完成压力敏感膜片的制备㊂由于需要进行深刻蚀工艺，而常规的金属溅射和蒸发工艺无法为ＳｉＣ的深刻蚀提供足够厚的掩膜层，本文采用了溅射和电镀工艺制备较厚的金属掩膜层，首先溅射５０ｎｍ的Ｔｉ做粘附层和５０ｎｍ的Ａｕ做种子层，然后电镀５μｍ左右的金属Ｎｉ做掩膜层，然后利用ＩＣＰ对碳化硅进行深刻蚀９５μｍ，深腔刻蚀的ＳＥＭ如图３（ａ）所示，腐蚀掉剩余的Ｎｉ掩膜以及底层的Ａｕ和金属Ｔｉ，得到碳化硅感压敏感芯片，具体工艺流程如图２（７） （１５）所示，敏感芯片实物如图３（ｂ）所示㊂图２㊀敏感芯片及电容结构制备工艺流程图为了制备键合强度高㊁密封性好的电容结构，本文采用直接键合工艺，ＲＣＡ清洗去除表面颗粒，然后在１３００ħ㊁４ＭＰａ压力下完成键合［９－１０］，如图２（１６）所示㊂随后完成电容结构的上电极极板制作，首先，溅射５０ｎｍ的Ｔｉ做金属粘附层，接着溅射４００ｎｍ的Ａｕ做金属极板，完成后续的极板图形化，工艺流程如图２（１７） （１８）所示，电容键合结构如图３（ｄ）所示㊂为了方便后续的测试实验，传感器采用陶瓷和耐热金属２种材料相结合进行封装［１１］，利用高温导电浆料将芯片下极板安装在具有金属图形层的陶瓷底板㊀㊀㊀㊀㊀第３期梁庭等：基于碳化硅材料的电容式高温压力传感器的研究３㊀㊀上，然后加热固化㊂芯片电极与外部的互连采用引线键合技术，芯片的外壳封装采用金属壳封装，封装后的传感器实物如图３（ｃ）所示㊂图３㊀电容压力传感器关键工艺图３㊀测试３．１㊀测试系统介绍为检验研制的电容式高温压力传感器的性能，搭建了相应的检测平台，其中初始电容利用探针台探针分别接触传感器的上下极板，然后利用Ｋｅｉｔｈｌｅｙ的４２００－ＳＣＳ半导体特性分析系统完成初始电容值测试；常温压力测试平台由压力控制系统，Ａｇｉｌｅｎｔ的４２８２Ａ阻抗分析仪构成如图４（ａ）所示；由自研的真空压力炉提供高温环境下的测试实验，测试时电容式压力传感器置于炉腔，通过耐高温导线与外部４２８２Ａ相连接，如图４（ｂ）所示㊂图４㊀压力传感器测试系统３．２㊀常温压力测试经过对样品的测试分析，得到该传感器芯片的初始电容值Ｃ０＝８．５０ｐＦ，通过封装后的压力传感器整体初始电容值Ｃ０＝１３．１５ｐＦ㊂通过与理论电容值对比发现，实际测试值大于理论电容值㊂在常温下，测试了０㊁５０㊁１００㊁１５０㊁２００㊁２５０㊁３００ｋＰａ的不同压力下的电容值，其测试结果如图５所示，曲线表示随着气压增大时，传感器电容增大，并且在０ ３００ｋＰａ内，传感器具有良好的响应，电容与压力成近似线性关系，通过计算，得到该传感器的灵敏度可以达到４．５１ˑ１０－３ｐＦ／ｋＰａ，非线性误差为２．８３％㊂图５㊀传感器电容与压力的关系图（常温）在常压下，从常温开始逐渐升温至６００ħ，其中，每隔１００ħ为测试节点，包括２０㊁１００㊁２００㊁３００㊁４００㊁５００㊁６００ħ，每个节点保持１０ｍｉｎ，当完成６００ħ测试后，开始进行降温测试，重新进行测试实验，其测试结果如图６所示㊂从该曲线可以看出，随着温度的升高，传感器芯片的电容值缓慢增大，在２０ ６００ħ的范围内，电容变化量为８．５０ ８．６５ｐＦ㊂但相比于外界压力对它的作用，在大气压下，由温度变化引起的电容变化值几乎可以忽略不计，即该碳化硅高温压力传感器的温度漂移效应较低㊂图６㊀传感器电容与温度的关系图（高温）４㊀结束语本文在探索碳化硅ＩＣＰ刻蚀工艺和直接键合工艺的基础上制备了基于碳化硅材料的电容式高温压力传感器㊂与目前常用的硅基压力传感器相比，基于碳化硅材料的电容式压力传感器具有工作温度高㊁制备方法简单等优势，同时也为ȡ５００ħ工作环境下原位压力测试需求提供技术参考㊂参考文献：［１］㊀张晓莉，陈水金．耐高温压力传感器研究现状与发展［Ｊ］．传感器与微系统，２０１１，３０（２）：１－４．［２］㊀吕浩杰．基于ＳｉＣ－ＡＩＮ双凹槽结构的ＭＥＭＳ全高温接触式电容压力传感器基础研究［Ｄ］．厦门：厦门大学，２０１１．［３］㊀陈勇，郭方方，白晓弘，等．基于ＳＯＩ技术高温压力传感器的研制［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１４（６）：１０－１２．（下转第８页）㊀㊀㊀㊀㊀８㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＭａｒ．２０２１㊀１．８μｍ的孔，其频率裂解及修调效率始终小于其他深度的孔，这与上一节的结果相似㊂孔的径向位置从里向外移动时，其频率裂解和修调效率先增大后减小，但频率裂解和修调效率的最小值始终在靠近球壳处㊂所以，对于小的频率解裂，可以靠近陀螺内侧打孔修调，以使得同样的频率裂解下去除的质量更多，加工较容易；对于大的频率裂解，可以靠近外侧打孔修调，以使更小的去除质量就能达到修调要求，修调效率更高㊂４　结束语硅微半球陀螺小而脆弱的谐振子导致修调难度大，为确定需要合适的修调方法和工艺参数，本文介绍了硅微半球陀螺频率裂解微孔修调方法㊂并通过仿真分析了其工艺参数对频率裂解的影响规律㊂结果表明应该在低频模态上打孔以减小频率裂解㊂该方法下每去除１ｎｇ质量改变的频率裂解在２１ ３０Ｈｚ／ｎｇ之间㊂频率裂解对于各工艺参数变化较敏感，若要使得频率裂解减小到理想值，修调的加工精度需要在微米级甚至是亚微米级㊂当需要修调的频率裂解较小时，即修调孔的体积较小时，应优先使用深宽比较大的孔，并且孔的位置应尽量靠近内壁㊂对于大的频率裂解，可以靠近外侧打孔修调，以使更小的去除质量就能达到修调要求，修调效率更高㊂参考文献：［１］㊀ＫＯＵＺ，ＬＩＵＪ，ＣＡＯＨ，ｅｔａｌ．ＡｎｏｖｅｌＭＥＭＳＳ⁃ｓｐｒｉｎｇｓｖｉｂｒａ⁃ｔｉｎｇｒｉｎｇｇｙｒｏｓｃｏｐｅｗｉｔｈａｔｍｏｓｐｈｅｒｅｐａｃｋａｇｅ［Ｊ］．ＡｉｐＡｄ⁃ｖａｎｃｅｓ，２０１７，７（１２）：１２５３０１．［２］㊀ＳＯＲＥＮＳＯＮＬＤ，ＧＡＯＸ，ＡＹＡＺＩＦ．３－Ｄｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄｈｅｍｉ⁃ｓｐｈｅｒｉｃａｌｓｈｅｌｌｒｅｓｏｎａｔｏｒｓｗｉｔｈｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃａｐａｃｉｔｉｖｅｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ２５ｔｈＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ，Ｐａｒｉｓ，ＦＲＡＮＣＥ，２０１２．ＩＥＥＥ：ＮＥＷＹＯＲＫ，２０１２：１６８－７１．［３］㊀汪红兵，林丙涛，梅松，等．微半球谐振陀螺技术研究进展［Ｊ］．微纳电子技术，２０１７，５４（１１）：７７２－８０．［４］㊀ＢＩＳＥＧＮＡＰ，ＣＡＲＵＳＯＧ．Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｐｌｉｔａｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｌｏ⁃ｃａｌｉｚａｔｉｏｎｉｎｉｍｐｅｒｆｅｃｔｒｉｎｇｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｕｎｄ＆Ｖｉｂｒａ⁃ｔｉｏｎ，２００７，３０６（３）：６９１－７１１．［５］㊀陶溢．杯形波动陀螺关键技术研究［Ｄ］．长沙：国防科学技术大学，２０１１．［６］㊀ＬＵＫ，ＸＩＸ，ＬＩＷ，ｅｔａｌ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｐｒｅｃｉｓｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｔｒｉｍｍｉｎｇｏｆａｍｉｃｒｏｓｈｅｌｌｒｅｓｏｎａｔｏｒｗｉｔｈＴ－ｓｈａｐｅｍａｓｓｅｓｕｓｉｎｇｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒａｂｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ，２０１９，２９０：２２８－３８．［７］㊀ＰＡＩＰ，ＣＨＯＷＤＨＵＲＹＦＫ，ＭＡＳＴＲＡＮＧＥＬＯＣＨ，ｅｔａｌ．ＭＥＭＳ－ｂａｓｅｄｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌｒｅｓｏｎａｔｏｒｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ［Ｃ］／／ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＩＥＥＥＳｅｎｓｏｒｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｔａｉｐｅｉ，２０１２．ＩＥＥＥ：ＮＥＷＹＯＲＫ，２０１２：１７０－３．［８］㊀孙殿竣，张卫平，唐健，等．ＭＥＭＳ微半球谐振陀螺的力反馈模态及其ＦＰＧＡ平台实现［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１７，（６）：１４１－１４９．［９］㊀刘宇，刘松，彭慧，等．力平衡模式下半球谐振陀螺数字控制回路设计［Ｊ］．压电与声光，２０１５，３７（５）：８９９－９０３．［１０］㊀李巍，金鑫，任顺清．半球谐振陀螺仪频率裂解及固有刚性轴的测试方法［Ｊ］．传感技术学报，２０１６，２９（３）：３３８－４２．［１１］㊀张荣．四面体与六面体网格特征比较［Ｊ］．企业技术开发，２０１２，１３１（２３）：１０１－１０２．［１２］㊀ＸＩＡＮＧＸ，ＷＵＹ，ＷＵＸ，ｅｔａｌ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｓｔｒｅｓｓｅｆｆｅｃｔｓｆｏｒｔｒｉｍｍｅｄｃｕｐｐｅｄｒｅｓｏｎａｔｏｒｕｎｄｅｒｖａｒｙｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ＆ＡｃｔｕａｔｏｒｓＡＰｈｙｓｉｃａｌ，２０１３，１８９（２）：４２９－４４０．［１３］㊀ＢＥＲＮＳＴＥＩＮＪＪ，ＢＡＮＣＵＭＧ，ＢＡＵＥＲＪＭ，ｅｔａｌ．ＨｉｇｈＱｄｉａｍｏｎｄｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ：ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｅｎｅｒｇｙｌｏｓｓｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ＆Ｍｉｃｒｏ⁃ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，２５（８）：０８５００６．作者简介：胡友旺（１９８１ ），教授，博士，主要研究方向为飞秒激光微纳制造㊁集成光机电系统（ＭＯＥＭＳ）㊁微传感器及其检测系统㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｈｕｙｗ＠ｃｓｕ．ｅｄｕ．ｃｎ钟宏民（１９９４ ），硕士研究生，主要研究方向为陀螺的频率裂解修调㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｈｏｎｇｈｏｎｇｍｉｎ＠ｃｓｕ．ｅｄｕ．ｃｎ（上接第３页）［４］㊀周继承，郑旭强，刘福．ＳｉＣ薄膜材料与器件最新研究进展［Ｊ］．材料导报，２００７，２１（３）：１１２－１１４．［５］㊀揣荣岩，吕品，杨宇新，等．压阻式小量程ＳＯＩ压力敏感结构仿真分析［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１９（２）：１４－１７．［６］㊀汪赟，郝秀春，蒋纬涵，等．基于ＳＯＮ构造的电容式绝对压力传感器设计［Ｊ］．传感器与微系统，２０１９，３８（６）：６６－６９．［７］㊀ＷＵＦ，ＣＨＥＮＸＹ．Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎａｃｈｉｅｖｉｎｇｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｐｉｅ⁃ｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅａｎｄｃａｐａｃｉｔｉｖｅｆｌｅｘｉｂｌｅｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒｓ：Ａｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２０，４３：１７５－１８８．［８］㊀王化祥，张淑英．传感器原理及应用［Ｍ］．天津：天津出版社，２０１４：４６－４９．［９］㊀ＭＵＦ，ＸＵＹ，ＳＨＩＮＳ，ｅｔａｌ．ＷａｆｅｒｂｏｎｄｉｎｇｏｆＳｉＣ－ＡｌＮａｔｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｏｒＡｌｌ－ＳｉＣｃａｐａｃｉｔｉｖｅｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒ［Ｊ］．Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｓ，２０１９（１０）：６３５．［１０］㊀李旺旺，梁庭，张迪雅，等．表面处理对碳化硅直接键合的影响研究［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１６（７）：１２－１４．［１１］㊀高岭，赵东亮．系统级封装用陶瓷基板材料研究进展和发展趋势［Ｊ］．真空电子技术，２０１６（５）：１１－１４．作者简介：梁庭（１９７９ ），博士，副教授，主要从事ＭＥＭＳ高温压力传感器㊁微光学集成气体传感器㊁宽禁带半导体传感器以及ＭＥＭＳ微加工工艺的研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｉａｎｇｔｉｎｇｎｕｃ＠１６３．ｃｏｍ．李强（１９９５ ），硕士研究生，主要从事ＭＥＭＳ高温压力传感器及ＭＥＭＳ微加工工艺的研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｓｎｊｋ０８＠１６３．ｃｏｍ。

大型仪器设备购置论证报告
仪器设备名称探针台
项目名称物理学（一流学科）
项目负责人高先龙
填表日期2017.09.26
实验室管理处制
填表说明
1．单价10万元及以上仪器设备的申购均需填写此表，并与申购计划一起上报有关部门。

2．所在学院（部门）组织3—7人单数技术专家进行论证，并通知项目经费管理、设备管理等部门参加论证。

申请单一来源采购的需3人以上单数非本校专家参加论证；未列入全省统一论证进口产品范围的进口产品需5人以上单数非本校专家参加论证。

3．论证会由专家组组长主持，主要程序为：申购人报告、现场考察、专家质询与讨论、专家组形成论证意见并签名。

4．专家论证同意，经学院（部门）、项目经费管理部门签字并盖章后，报本科教学部（实验室管理处）网上公示一周无异议后实施。

5．此表一式1份（如设备为进口设备，请提交2份）。

吉时利(Keithley) 仪器公司在其4200型半导体特性分析系统中新增加了脉冲信号发生和测量功能，支持脉冲式的半导体特性分析功能。

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吉时利(Keithley) 仪器公司在其4200型半导体特性分析系统中新增加了脉冲信号发生和测量功能，支持脉冲式的半导体特性分析功能。

新的PIV（脉冲I-V）子系统，更便于进行高介电（High－k）材料、热敏感器件和先进存储芯片等的前沿技术研究，使其测量更加准确，产品投入市场更加快速。

据称这是第一款商用化的集成了精确、可重复的脉冲和DC测量于一体的解决方案，而且使用非常方便。

脉冲I-V （简称PIV）子系统是吉时利公司Model 4200-SCS系统的一个新增选项。

Model 4200-SCS系统适用于实验室级别的精准DC特性测量和分析，具有亚飞安级的微电流分辨率和实时绘图、数据分析和处理能力。

该系统集成了目前最先进的半导体特性分析性能，包括一台带有Windows XP操作系统和大容量存储器的嵌入式PC机。

脉冲I-V （PIV）子系统建立在一个新的双通道脉冲发生器卡上，该卡的特点是拥有两个独立的通道，频率范围从1Hz到50MHz。

它能够产生短到10纳秒的脉冲，允许对SOI和其他65nm以及更小尺寸的器件和过程进行真实的等温脉冲测量。

精细的脉冲边缘的缓慢控制允许对界面态、AC Stress测试和存储器测试进行精确的源和测量。

用户能够控制几个脉冲参数，例如：脉冲宽度、占空比、升降时间、幅度和偏移量。

把脉冲式的功能和测量同Model 4200-SCS世界领先的DC特性结合起来，这在市场上尚是唯一的。

与脉冲I-V （PIV）子系统捆绑在一起的新的、正在申请专利的软件，无论在准确度还是在可重复性方面都带来了更好的效果。

集成的软件和面向用户的友好界面都是很容易学习和使用的，所以即使是非专业的用户都能快速上手并且得到很好的脉冲I-V测量结果。

PIV软件控制着脉冲发生器和测量，设置和驱动双通道脉冲发生器的脉冲产生、触发、进行脉冲测量，并收集和提交数据。

新的PIV软件套装，具有为保证测量完整性而设置的电缆补偿算法和为精确的脉冲极限电压提取设置的Load-line校正方案。

4H-SiC MESFET的反应离子刻蚀和牺牲氧化工艺研究柏松，韩春林，陈刚（南京电子器件研究所，南京 210016）摘要：对于栅挖槽的4H-SiC MESFET，栅肖特基接触的界面经过反应离子刻蚀（RIE），界面特性对于肖特基特性和器件性能至关重要。

反应离子刻蚀的SiC表面平滑度不是很好，刻蚀损伤严重，选择合适的RIE刻蚀条件减小刻蚀对半导体表面的损伤；利用牺牲氧化改善刻蚀后的表面形貌，进一步减小表面的刻蚀损伤。

工艺优化后栅的肖特基特性有了明显改善，理想因子接近于1。

制成的4H-SiC MESFET直流夹断特性良好，饱和电流密度达到350mA/mm。

关键词：4H-SiC；MESFET；反应离子刻蚀；牺牲氧化；肖特基势垒Reactive Ion Etching and Sacrificial Oxidation Processes in the Fabrication of4H-SiC MESFETsBAI Song，HAN Chun-lin，ChEN Gang（Nanjing Electronic Devices Institute，Nanjing 210016, China）Abstract: For gate recessed 4H-SiC MESFETs, the Schottky gate is formed on a plasma etched surface. The quality of the surface is crucial to the Schottky contact properties and the device performance. In this study, sacrificial oxidation is used as a post-etch treatment to reduce surface roughness and etch damage. Etch damage is also reduced by using proper RIE settings. Optimized etch conditions and surface treatment result in improved Schottky-contact characteristics and excellent DC performance of the 4H-SiC MESFETs.Key words: 4H-SiC; MESFET；reactive ion etching；sacrificial oxidation；Schottky contact1 引言SiC是一种高稳定性的半导体材料，无法对其进行常规的湿法刻蚀，只能采用干法刻蚀的方法。

总剂量辐照与热载流子协同效应特性分析付兴中;何玉娟;郑婕;章晓文【摘要】研究了总剂量辐照效应对0.35μm的NMOS器件热载流子测试的影响,结果发现:经过100 krad(Si)总剂量辐照的NMOS器件在热载流子测试时其阈值电压的变化量远远地大于未经辐照的器件的,其原因与总剂量辐照退火效应和辐射感生界面陷阱俘获热电子有关.【期刊名称】《电子产品可靠性与环境试验》【年(卷),期】2017(035)006【总页数】4页(P12-15)【关键词】总剂量辐照;热载流子效应;协同效应【作者】付兴中;何玉娟;郑婕;章晓文【作者单位】中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄 050000;工业和信息化部电子第五研究所,广东广州 510610;工业和信息化部电子第五研究所,广东广州 510610;工业和信息化部电子第五研究所,广东广州 510610【正文语种】中文【中图分类】TN386.10 引言在空间长时间运行的设备和器件，在受到空间辐射效应影响的同时，也会由于热载流子效应的影响而使得器件的寿命降低。

在进行地面模拟试验时，一般采用单机理的试验模拟方式，但空间总剂量辐照效应对器件热载流子效应甚至其使用寿命的影响究竟如何，国内外却研究得较少。

本文针对特征尺寸为0.35 μm的NMOS器件，研究总剂量辐照效应对NMOS器件热载流子测试的影响，结果发现：在经过总剂量辐照后进行热载流子测试，阈值电压随着总剂量的增大而减小，随着热载流子测试时间的增大而增大，并且变化值远远超过未经过总剂量辐照的器件。

1 试验结果试验所用的NMOS器件为SMIC公司的流片，其特征尺寸为0.35 μm，器件的栅氧化层厚度为6.5 nm，宽长比为50。

总剂量辐照剂量率为50 rad（Si）/s，偏置为ON偏置（VG=VDD，VD=VS=VB=0 V），总剂量为100 krad（Si），试验是在中科院新疆理化所的钴-60总剂量辐射源处进行的。

LPCVD制备多晶Si薄膜的工艺和性能分析胡佳宝;何晓雄;杨旭【摘要】文章利用低压化学气相沉积法(LPCVD)，在单晶Si衬底上制备多晶Si薄膜。

利用原子力显微镜观察薄膜厚度和镀膜温度对多晶Si薄膜表面形貌的影响，并利用XRD研究退火温度对多晶Si薄膜结晶性能的影响。

结果表明：镀膜温度越高、薄膜越厚，薄膜的晶粒尺寸越大；退火温度越高，薄膜的结晶越好。

%10.3969/j.issn.1003-5060.2012.11.014【期刊名称】《合肥工业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(000)011【总页数】5页(P1496-1499,1540)【关键词】多晶硅薄膜;低压化学气相沉积;表面形貌;X射线衍射【作者】胡佳宝;何晓雄;杨旭【作者单位】合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥 230009;合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥 230009;合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥 230009【正文语种】中文【中图分类】TN305.8随着设备的发展和制备工艺的改进，多晶硅薄膜被广泛应用于微机电系统、半导体桥、大规模集成电路、晶体管、太阳能电池火工品等产品上［1－3］。

多晶硅薄膜具有很多特点，如生长温度低、对衬底选择不苛刻、适合半导体工艺加工、同单晶硅有相近的敏感特性和机械特性等［4］。

多晶硅薄膜的制备主要有真空蒸镀、离子镀、溅射镀膜和化学气相沉积（CVD）等方法［5］。

本文利用低压化学气相沉积法（LPCVD），在单晶Si（100）衬底上制备能用于半导体火工桥的多晶硅薄膜。

首先按照不同的气压、温度、沉积时间、退火温度等工艺参数制备出多晶硅薄膜；然后用原子力显微镜（AFM）观察其表面形貌，用X射线衍射（XRD）研究退火温度对薄膜结晶性能的影响，用半导体特性测试仪测试其I－V曲线，用XP－100型台阶仪测量薄膜的厚度，最后对工艺参数与薄膜性能间的关系进行了分析。

在P型（100）晶面单晶硅衬底上氧化一层二氧化硅（SiO2），厚度大约为300nm。

用吉时利4200-SCS和590 CV分析仪测试MOS结构的界面态
作者：董金珠， 刘海涛， 张建新， 江美玲， 梁平治
作者单位：董金珠,刘海涛,张建新(中国科学院上海技术物理研究所,上海,200083;中国科学院研究生院,北京,100049)， 江美玲,梁平治(中国科学院上海技术物理研究所,上海,200083)
1.娄绍昆发热一例(肠伤寒)[会议论文]-2006
2.吉时利公司用低噪声4200-SCS半导体特性分析系统进行超低电流测试[期刊论文]-电子质量2003(2)
3.赵亮清.张志利.颜宁模糊神经网络在导弹控制系统故障诊断中的应用[会议论文]-2006
4.冯健峰糖尿病胃轻瘫的半夏泻心汤治验[会议论文]-2006
5.楼曹鑫.丁澜.马锡英.黄仕华锗/硅量子点形貌随退火温度的变化与电学特性研究[期刊论文]-苏州科技学院学报：自然科学版2011,28(4)
6.曾仁宏以四诊合参之法用小柴胡汤治少阳郁热证[会议论文]-2006
7.关彤浅谈《金匮要略》理论在大肠癌防治中的运用[会议论文]-2006
8.谈恩民.李秀真位存储器向字存储器的march测试转换方法[会议论文]-2006
9.杨占坤.徐嘉东.李建明.张秀兰对N型InP注入氦离子的电特性研究[会议论文]-2001
10.吉时利推出4200-SCS型半导体以及KTEI 5.0软件[期刊论文]-电子与电脑2004(1)
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