一种判定GaAs基太赫兹混频肖特基二极管结面积的方法

摘要

本发明公开了一种判定GaAs基太赫兹混频肖特基二极管结面积的方法，所述方法包括：将被测太赫兹肖特基二极管固定在测试台面，利用直流测试用探针扎在太赫兹肖特基二极管的两个金属焊盘上；使用半导体测试仪测试太赫兹肖特基二极管的电流和电压；基于获得的电流和电压，利用公式（7）计算出肖特基二极管结面积，实现了快速鉴别管芯，对器件无损伤，成本较低的技术效果。

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹技术领域，尤其一种判定GaAs基太赫兹混频肖特基二极 管结面积的方法。

背景技术

太赫兹(THz)波是指频率在0.3-3THz(波长为1000-100微米)范围内的 电磁波，也有人认为太赫兹的频率是0.1THz-10THz，其中1THz＝1000GHz。THz 波在电磁波频谱中占有很特殊的位置，THz技术是国际科技界公认的一个非常重 要的交叉前沿领域。

在THz波段，肖特基二极管具有常温工作，易于集成等优点，已经被应用于 太赫兹波段的混频检测；由于在太赫兹频段，频率较高，波长很短，器件尺寸与 工作波长可比拟；寄生参量不能用集总参量来描述，需要建立寄生参量随频率变 化的分布参数；目前常用的是在高频仿真软件中，例如ansoft公司的HFSS软件 中建立肖特基二极管的三维电磁模型，通过设置合适的同轴探针波端口来提取寄 生参量；但是波端口的大小与混频肖特基二极管的阳极结面积紧密相关。如果知 道肖特基二极管的阳极结面积，有助于提取更加准确的寄生参量，使二极管发挥 更佳的变频功能，得到性能更加优良的混频器。

目前混频肖特基二极管，国内大部分单位还是采用购置国外的进口器件，主 要是美国的弗吉尼亚二极管公司等商业公司；国外芯片供应商仅仅提供简单的二 极管参数，不提供肖特基二极管的结面积及三维电磁结构。

二极管阳极尺寸不仅影响模型的准确，还是区分混频二极管种类的一个非常 显著的参数；国内目前有几个半导体研究机构在研究肖特基二极管，国内在研制 二极管过程中采用一个版图多种二极管，在流片结束后，得到了很多二极管，但 是由于二极管芯片很小，二极管芯片类型很难区分；通过在制作时候加入适当的 标记图形，通过扫描电镜观察，通过不同的标记可以区分不同种类的太赫兹肖特 基二极管，可以得到二极管的阳极结面积；即使通过扫描电镜区分，也存在较大 困难，同时由于扫描电镜在测量时容易对肖特基二极管产生损伤，会导致器件失 效，对于需要区分大量管芯的工作，则需要经过大量的时间来完成，由于扫描电 镜费用比较昂贵，也并不是一个经济可行的方法。

综上所述，本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发 现上述技术至少存在如下技术问题：

在现有技术中，现有的通过扫描电镜观察获得二极管的阳极结面积的方法存 在容易对肖特基二极管产生损伤导致器件失效，且效率较低、成本较高的技术问 题。

发明内容

本发明提供了一种判定GaAs基太赫兹混频肖特基二极管结面积的方法，解 决了现有的通过扫描电镜观察获得二极管的阳极结面积的方法存在容易对肖特 基二极管产生损伤导致器件失效，且效率较低、成本较高的技术问题，实现了快 速鉴别管芯，对器件无损伤，成本较低的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种判定GaAs基太赫兹混频肖 特基二极管结面积的方法，所述方法包括：

首先将被测太赫兹肖特基二极管固定在测试台面，利用直流测试用探针扎 在太赫兹肖特基二极管的两个金属焊盘上；

然后使用半导体测试仪测试太赫兹肖特基二极管的电流和电压；

然后基于获得的电流和电压，利用公式(7)计算出肖特基二极管结面积， 其中所述公式(7)为：

$S=\exp \left[\frac{q(V_{\mathrm{bi}}-V)}{\mathrm{\eta kT}}\right]/98.65---\left(7\right)$

其中，S为肖特基结的面积，单位为平方微米，q为电子电量，V_bi为肖特基 势二极管内建电势，固定为0.8V，V为半导体参数测试仪测试得到肖特基二极 管两端的电压，η为表征肖特基接触质量好坏的理想因子，k为玻尔兹曼常数，T 为肖特基结的温度。

进一步的，在测试过程中固定通过混频肖特基二极管的电流为10微安。

进一步的，所述混频肖特基二极管为反向并联的形式，两端分别为两个焊盘。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优 点：

由于采用了将判定GaAs基太赫兹混频肖特基二极管结面积的方法设计为包 括：首先将被测太赫兹肖特基二极管固定在测试台面，利用直流测试用探针扎 在太赫兹肖特基二极管的两个金属焊盘上；然后使用半导体测试仪测试太赫兹 肖特基二极管的电流和电压；然后基于获得的电流和电压，利用公式(7)计算 出肖特基二极管结面积的技术方案，即只需要利用半导体测试仪测出太赫兹肖 特基二极管的电流和电压，即可计算出肖特基二极管结面积，避免了传统采用 扫描电镜观察获得二极管的阳极结面积的方法，所以，有效解决了现有的通过扫 描电镜观察获得二极管的阳极结面积的方法存在容易对肖特基二极管产生损伤 导致器件失效，且效率较低、成本较高的技术问题，进而实现了快速鉴别管芯， 对器件无损伤，成本较低的技术效果。

附图说明

图1是本申请实施例一中判定GaAs基太赫兹混频肖特基二极管结面积的方 法的流程示意图；

图2是本申请实施例一中混频肖特基二极管的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种判定GaAs基太赫兹混频肖特基二极管结面积的方法，解 决了现有的通过扫描电镜观察获得二极管的阳极结面积的方法存在容易对肖特 基二极管产生损伤导致器件失效，且效率较低、成本较高的技术问题，实现了快 速鉴别管芯，对器件无损伤，成本较低的技术效果。

本申请实施中的技术方案为解决上述技术问题。总体思路如下：

采用了将判定GaAs基太赫兹混频肖特基二极管结面积的方法设计为包括： 首先将被测太赫兹肖特基二极管固定在测试台面，利用直流测试用探针扎在太 赫兹肖特基二极管的两个金属焊盘上；然后使用半导体测试仪测试太赫兹肖特 基二极管的电流和电压；然后基于获得的电流和电压，利用公式(7)计算出肖 特基二极管结面积的技术方案，即只需要利用半导体测试仪测出太赫兹肖特基 二极管的电流和电压，即可计算出肖特基二极管结面积，避免了传统采用扫描 电镜观察获得二极管的阳极结面积的方法，所以，有效解决了现有的通过扫描电 镜观察获得二极管的阳极结面积的方法存在容易对肖特基二极管产生损伤导致 器件失效，且效率较低、成本较高的技术问题，进而实现了快速鉴别管芯，对器 件无损伤，成本较低的技术效果。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式 对上述技术方案进行详细的说明。

实施例一：

在实施例一中，提供了一种判定GaAs基太赫兹混频肖特基二极管结面积的 方法，请参考图1-图2，所述方法包括：

首先将被测太赫兹肖特基二极管固定在测试台面，利用直流测试用探针扎 在太赫兹肖特基二极管的两个金属焊盘上；

然后使用半导体测试仪测试太赫兹肖特基二极管的电流和电压；

然后基于获得的电流和电压，利用公式(7)计算出肖特基二极管结面积， 其中所述公式(7)为：

$S=\exp \left[\frac{q(V_{\mathrm{bi}}-V)}{\mathrm{\eta kT}}\right]/98.65---\left(7\right)$

其中，S为肖特基结的面积，单位为平方微米，q为电子电量，V_bi为肖特基 势二极管内建电势，固定为0.8V，V为半导体参数测试仪测试得到肖特基二极 管两端的电压，η为表征肖特基接触质量好坏的理想因子，k为玻尔兹曼常数，T 为肖特基结的温度。

其中，在本申请实施例中，在测试过程中固定通过混频肖特基二极管的电 流为10微安，将电流设计为10微安，是由于在该电流下，由于串联电阻引起的 压降可以忽略。通过测试二极管在电流分别为10微安和100微安的情况下，可 以计算得到二极管的理想因子。

其中，在本申请实施例中，所述混频肖特基二极管为反向并联的形式，两 端分别为两个焊盘。

其中，在本申请实施例中，下面对公式(7)进行介绍：

描述肖特基结的非线性特性通常采用热电子发射模型，流过肖特基二极管 的电流与二极管两端的电压有以下关系：

$I=I_s\left[\exp (\frac{q(V-{\mathrm{IR}}_S)}{{\mathrm{\eta KT}}_j}-1)\right]\approx I_s\exp \left(\frac{q(V-{\mathrm{IR}}_S)}{{\mathrm{\eta KT}}_j}\right)---\left(1\right)$

其中I是肖特基二极管的电流，Is是肖特基二极管的饱和电流，q是电子电 量，V是二极管两端电压，Rs是二极管的串联电阻，η是二极管的理想因子，K 是玻尔兹曼常量，T_j是二极管的结温。

$I_S=\mathrm{SA}**T_j^2\exp \left(\frac{-q{V}_{\mathrm{bi}}}{{\mathrm{\eta KT}}_j}\right)---\left(2\right)$

其中S是二极管的结面积，A**是理查德森常量，V_bi是二极管的内建电势；

将(2)式带入(1)式，我们有：

$I=\mathrm{SA}**T_j^2\exp \left(\frac{-q{V}_{\mathrm{bi}}}{{\mathrm{\eta KT}}_j}\right)\exp \left(\frac{q(V-{\mathrm{IR}}_S)}{{\mathrm{\eta KT}}_j}\right)=\mathrm{SA}**T_j^2\exp \left(\frac{-q(V_{\mathrm{bi}}-V+{\mathrm{IR}}_S)}{{\mathrm{\eta KT}}_j}\right)---\left(3\right)$

室温下，当流过二极管的电流很小时，例如10微安时，IRs项很小，可以 忽略不计，由于电流很小，带来的热效应较小，二极管的结温度可以近似为室 温，即T_j＝300K，由于进行了一些近似，因此我们需要加一个修正系数a，式(3) 可以简化为：

$I=a[\mathrm{SA}**T_j^2\exp \left(\frac{-q(V_{\mathrm{bi}}-V)}{{\mathrm{\eta KT}}_j}\right)]---\left(4\right)$

由(4)式，我们可以得到结面积S与流过二极管的电流，电压的关系式：

$S=I*\exp \left(\frac{q(V_{\mathrm{bi}}-V)}{{\mathrm{\eta KT}}_j}\right)/(\mathrm{aA}**T_j^2)---\left(5\right)$

固定电流I，设置为10微安，可以简化(5)式为：

$S=\exp \left(\frac{q(V_{\mathrm{bi}}-V}{{\mathrm{\eta KT}}_j}\right)/C---\left(6\right)$

其中C是一个常数，为了得到这个常数，进行了大量的数据统计，获得公 式(7)。

为了得到常数C，我们对一种固定的阳极尺寸的肖特基二极管进行了测试， 试验中，其中我们已知肖特基二极管的阳极尺寸为边长为0.7微米的正方形，对 此类二极管进行了大量测试，采用半导体参数测试仪4200，对二极管通过固定 的电流10微安，发现在10微安电流通过二极管的时候，两端的电压为666mV(正 负5mV)，10微安和100微安两个电流的电压差为91mV(正负2mV)，可得理想因 子为1.3，将公式6中的已知量带入，可以得到C为98.65。C＝98.65为一个折 中的统计数字。

为了验证本发明中的公式(7)，下面结合附图对本发明的具体实施方式做 具体的介绍。

如附图2所示，混频肖特基二极管为反向并联的形式，两端分别为两个焊盘， 将直流测试用的探针扎在太赫兹肖特基二极管的两个金属焊盘上，使用半导体测 试仪测试太赫兹肖特基二极管的电流和电压，测试仪器可以采用4200或者安捷 伦公司的B1500A，采取通电流，测试二极管两端电压的方式进行测试，测试电 流设置为10μA，来记录测得的二极管两端的电压。

实际测试了两种已知阳极面积的GaAs基太赫兹混频二极管，测试到太赫兹 二极管两端的电压值分别为626mV，646mV，通过测试流过二极管电流分别为 10μA和100μA的电压差值，电压差值除以70mV，可以快速计算理想因子η， η＝1.3，T为室温，T＝300K，kT室温下为26meV，通过计算，可以得到电压 为626mV的二极管阳极面积为1.81μm²(设计值为1.69平方微米)；电压为 646mV的二极管阳极面积为1μm²(设计值为1平方微米)；两种类型二极管与 设计值基本保持一致。

基于该方法可以有效快速获得肖特基二极管的结面积，并且对器件无损伤， 对国外的GaAs太赫兹混频二极管器件，可以有效提高二极管模型使用的准确性。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

由于采用了将判定GaAs基太赫兹混频肖特基二极管结面积的方法设计为包 括：首先将被测太赫兹肖特基二极管固定在测试台面，利用直流测试用探针扎 在太赫兹肖特基二极管的两个金属焊盘上；然后使用半导体测试仪测试太赫兹 肖特基二极管的电流和电压；然后基于获得的电流和电压，利用公式(7)计算 出肖特基二极管结面积的技术方案，即只需要利用半导体测试仪测出太赫兹肖 特基二极管的电流和电压，即可计算出肖特基二极管结面积，避免了传统采用 扫描电镜观察获得二极管的阳极结面积的方法，所以，有效解决了现有的通过扫 描电镜观察获得二极管的阳极结面积的方法存在容易对肖特基二极管产生损伤 导致器件失效，且效率较低、成本较高的技术问题，进而实现了快速鉴别管芯， 对器件无损伤，成本较低的技术效果。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本 创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意 欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明 的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等 同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。