[发明专利]一种表征半导体器件结特性的方法

说明书

本发明公开了一种表征半导体器件结特性的方法，该方法是一种基于并联或串联模式以正向交流电特性结合直流I‑V测量来精确表征二极管的系统方法，克服了传统半导体器件表征技术信息量少的缺陷，可以得到器件内部结电容、结电导、串联电阻、理想因子和结电压随外加电压和电流的精确函数关系。解决了半导体器件内部结特性表征的难题，揭示了实际工作中的半导体器件的内部电学输运机制，为设计和制备高性能的半导体光电子器件提供了技术指导。

技术领域

本发明是关于半导体器件的，特别涉及一种可精确表征二端子半导体器件(包括肖特基 结、发光二极管，激光二极管、PN结等)在正向电压下的内部结特性的精确方法。

背景技术

半导体光电子器件是目前应用最为广泛的光电子器件之一。包括肖特基结和包括LD和 LED的p-n结半导体二极管主要工作于正向，但长期以来二极管的正向电学特性的表征和 测量的方法过于简单和粗略，这一直是制约器件特性和微观机制研究的“软肋”。

国内外各种器件正向电特性的研究在很大程度上都依赖于I-V方法，但I-V方法所包含 的信息量是极为有限的，只能把串联电阻、理想化因子作为常量来处理，无法精确给出器件 内部结参量与外加电压和电流的函数关系。

基于I-V方法拓展的被广泛使用的lnI－V方法，尽管这种方法很方便和直观，但是在 二极管开启后的较大电压下，串联电阻的影响越来越明显，另外理想因子和串联电阻一般 又都不是常量，从而使二极管电参数的实际求解变得非常困难。

电导数技术(IdVdI)已成为检测激光二极管的性能和测定其阈值、理想因子、串联电阻的常用方法。但是，对于相当部分的实际的半导体激光器，其IdVdI曲线在阈值以 前的部分并非呈直线形状，这主要是由二极管的理想因子或串联电阻并非常量造成，因此， 理想因子、串联电阻的值也就不能由此线性方法求解，即使勉强做也不能得到准确的数值。

其他基于I-V技术拓展的方法也都无一列外的存在假定串联电阻或其他物理参量为常 数的限制。

已有的交流C-V特性的研究方法则主要适用于反向测量，长期以来，人们一直把二极 管作为黑盒子直接测试所得的正向并联表观电容就当作结电容，但二者在较大的正向电压 下却相去甚远。因而，在这个领域出现了种种令人费解的现象。例如，施敏(晶体管创始人， 诺奖获得者)等人虽然早就发展了p-n结的正向扩散电容理论，但是几十年来就是找不到实 验数据的支持。这其中至少有两方面的原因：一是研究者往往把表观电容与结电容等同；二 是实际的器件的特性远不像他们理论展示的那么简单。

截止目前，还未见到有能够直接表征半导体二端子器件内部结电压、串联电阻、理想因 子、准费米能级差等电学物理参量的精确表征方法。

发明内容

本发明的目的，是克服传统半导体器件表征技术所提供的信息量少的缺陷，提供一种可 以精确表征半导体器件内部结特性的方法，以实时表征器件内部结特性与外加电压和电流 的函数关系。

本发明的一种表征半导体器件结特性的方法，具有如下步骤：

(一)利用精密仪器测量二端子器件的直流I-V特性，同时摒弃假定串联电阻或理想因 子为常数这一论断，设n＝n(V_j)和r_S＝r_S(V_j)，则肖克莱方程简化为：

其中，n为理想因子，I_s为反向饱和电流，V_j为器件结电压，r_s为器件串联电阻，k为波尔兹 曼常数，T为温度，结电压与串联电阻的关系为V_j＝V-Ir_s。对方程(1)两边取对数，可以得：

由(2)式可以推得理想因子与结电压之间的关系：