异质结构的微区C-V特性表征方法的研究

摘要

AlGaN/GaN异质结为当前微波频段高压、高功率器件的理想结构，其强极化效应对其界面处二维电子气的浓度有重要影响,成为当前研究的热点。
　　本文探索了以扫描探针显微镜（SPM）为平台实现微区界面特性的C-V表征方法，利用SPM的微区表征优势，可以实现C-V特性的微区表征，从而为实现对异质结构中极化对界面二维电子气影响等的进一步研究提供试验平台和数据。
　　采用SPM尖锐探针针尖作为电极，测量的电容十分微小（10-18F量级），易受噪声的干扰。因此，电容测量的关键不仅是实现对微区微小电容的测量，而且要控制系统中各个部分和外界的噪声。同时，测量平台过大的背底电容会降低分辨率甚至使系统无法正常工作。本文利用电流法在低频（小于100KHz）下利用锁相放大技术实现了微区电容的定量测量，电容的分辨率达到10×10-18F。
　　为了提高测量精度和效率，针对GPIB总线和PCI总线通讯的两类仪器，本文设计了测量系统的控制软件。由于测量系统需要各种校正，所以测量参数和测量数据的数量大和类型多，本文设计了可扩展的数据结构，且提供了各类数据的操作方法。同时，软件上对噪声进行了有效的处理。
　　为了计算二维电子气的浓度，C-V法中必须已知电容的有效面积。由于微小不规则针尖作为电极，电容成分复杂，有效面积难以确定。本文通过测量针尖与金属平板之间的作用力与距离的曲线，建立了有效的针尖模型，计算得到了针尖顶端的有效半径。为了定量测量作用力的大小，本文设计了弹性悬臂偏移量与SPM系统对应输出电压的比例关系的测量方法，并且根据SPM系统的参数和测量结果计算了针尖与金属平板之间的力-距离(F-z)曲线。假设了针尖的几何形状和电场线分布，计算了针尖静电力的理论模型，得到了F-z曲线在z很小时的简化模型，再根据试验数据获得针尖的尺寸参数。
　　最后，本文利用测量系统成功实现了微区极化特性和C-V曲线的定量测量，并且模拟了AlGaN/GaN异质结构的C-V曲线，与试验测量结果在曲线变化趋势和数值上接近。

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第1章 前言

1.1 研究背景

1.2 界面表征与微区表征

1.3 论文主要工作与意义

第2章 界面特性与微区表征原理

2.1 异质结界面特性

2.2 异质结C-V法

2.3 微区C-V表征原理

第3章 微区测量硬件系统设计

3.1 系统要求与实现

3.2 硬件系统的结构

3.3 硬件系统的功能

3.4 低噪微弱电流放大器设计

3.5 测量平台噪声与杂散电容

第4章 微区测量软件系统设计

4.1 软件结构

4.2 图形界面控制模块

4.3 数据文件存取模块

4.4 仪器控制模块

4.5 随机误差处理模块

4.6 测量控制模块

第5章 系统参数测量与计算

5.1 系统增益测量与计算

5.2 微区测量系统的噪声测量

5.3 悬臂形变与电压的比例系数测量与计算

5.4 针尖几何参数的测量与计算

5.5 微区极化特性的测量

5.6 本章小结

第6章 微区C-V曲线的测量与分析

6.1 异质结C-V曲线测量

6.2 异质结C-V曲线模拟

6.3 本章小结

第7章 总结

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果