半绝缘砷化镓材料负微分电场阈值的测量装置及方法

1.本发明属于半导体测量技术领域，具体涉及一种半绝缘砷化镓材料负微分电场阈值的测量装置，还涉及一种半绝缘砷化镓材料负微分电场阈值的测量方法。


背景技术：

2.半绝缘gaas相比于硅(si)具有很多优点，其禁带宽度达到1.424ev，具有很好的抗辐射性能，其载流子迁移率可达8500cm2/(v
·
s)，可以制作高频和高速的电力电子器件。因此其在太赫兹辐射源，超宽带脉冲源，红外探测器等领域具有重要的应用。
3.众所周知，由于砷化镓材料的多能谷结构导致其具有负微分电导效应，也就是说，在部分电场区域，其载流子的漂移速度会随着电场强度的增强而下降，这就会导致强烈的非线性效应。比如，在n型砷化镓材料中的这一效应被命名为耿氏效应。目前，基于n砷化镓材料的耿效应器件已经在微波，脉冲的产生和逻辑电路中广泛的应用，甚至形成了一门耿效应电子学。但是，对于半绝缘砷化镓材料而言，由于其具有载流子浓度少，暗态电阻高等特点，导致其负微分电导区域很难被精确测定。而且，目前常用的载流子迁移率的测量方法，如渡越时间法，霍尔效应法，电压衰减法，辐射诱发导电率法，表面波传输法，外加电场极性反转法何电流-电压特性法等，都不适合测量半绝缘砷化镓材料的负微分电导区域。但是，精确测量半绝缘砷化镓材料的负微分电导区域，对于基于半绝缘砷化镓器件的应用有着至关重要的作用，比如半绝缘砷化镓光电导开关等高电压器件。


技术实现要素：

4.本发明的第一个目的是提供一种半绝缘砷化镓材料负微分电场阈值的测量装置，该装置能够测量半绝缘砷化镓材料的负微分电导区域。
5.本发明的第二个目的是提供一种半绝缘砷化镓材料负微分电场阈值的测量方法。
6.本发明所采用的第一个技术方案是，半绝缘砷化镓材料负微分电场阈值的测量装置，包括有屏蔽盒，屏蔽盒内由上至下依次设置有驱动电路、脉冲激光二极管及承载砷化镓材料的电回路单元；其中，驱动电路一侧与脉冲激光二极管连接，驱动电路的另一侧设置有穿过屏蔽盒顶板的接线柱单元；承载砷化镓材料的电回路单元位于脉冲激光二极管下方；承载砷化镓材料的电回路单元外接电源。
7.本发明的特征还在于，
8.接线柱单元包括第一接线柱、第二接线柱及第三接线柱；第一接线柱为ttl信号输入接口，第二接线柱为地接口，第三接线柱为+12v供电电源接口。
9.脉冲激光二极管的脉宽大于等于20ns，触发光能小于等于0.1μj。
10.承载砷化镓材料的电回路单元包括通过第一电缆连接的载物平台单元及限流电阻；载物平台单元位于脉冲激光二极管下方；载物平台单元与限流电阻分别通过第二电缆及第三电缆与外接电源形成回路。
11.载物平台单元包括有长方体形的屏蔽托盘，屏蔽托盘内设置有绝缘基层，半绝缘
砷化镓材料试样设置在绝缘基层上表面；还包括有第一金属电极、第二金属电极、第一高压微带线及第二高压微带线；
12.第一金属电极、第二金属电极设置在半绝缘砷化镓材料试样上表面；
13.第一金属电极依次与第一高压微带线及高压穿心电容连接，高压穿心电容还与第三电缆连接；
14.屏蔽托盘的第一侧壁上设置有第一sma接口，第二高压微带线通过第一sma接口与第二电缆连接，第二高压微带线还与第二金属电极连接；半绝缘砷化镓材料试样位于脉冲激光二极管下方。
15.第一金属电极与第二金属电极结构相同，均包括由上至下依次设置的au层及ni层。
16.本发明所采用的第二个技术方案是，半绝缘砷化镓材料负微分电场阈值的测量方法，采用上述的半绝缘砷化镓材料负微分电场阈值的测量装置进行测量，具体为：
17.首先在半绝缘砷化镓材料试样的上表面设置具有确定间隙的第一金属电极及第二金属电极，其次将半绝缘砷化镓材料试样焊接到绝缘基层上，最后将载物平台单元放置到屏蔽盒内，接通驱动电路的ttl触发信号源，同时使第二电缆与示波器连接，连接后的示波器再与第三电缆一起与高压电源接通形成回路；使不同的偏置电压通过半绝缘砷化镓材料试样，最终在示波器上得到波形图；绘制半绝缘砷化镓材料试样在不同偏置电压下输出电脉冲幅值的变化便能够确定半绝缘砷化镓材料试样的负微分电导区域。
18.本发明的有益效果是：
19.(1)本发明提供一种测量半绝缘砷化镓材料负微分电导区域的方法，即通过极弱光(脉宽大于等于20ns，光能小于等于0.1μj)触发在不同偏置电压下的半绝缘砷化镓材料，以其输出的电脉冲的幅值为参考，来确定半绝缘砷化镓材料的负微分电导区域。同时，基于此原理设计了一种测量装置，该装置具有操作简便，安全性能好，稳定性好等优点。
20.(2)本发明装置适合各种间隙下，不同半绝缘砷化镓材料的负微分电导区域电场强度范围的测量。
附图说明
21.图1为本发明半绝缘砷化镓材料负微分电场阈值的测量装置的结构示意图；
22.图2为本发明半绝缘砷化镓材料负微分电场阈值的测量装置的中承载砷化镓材料的电回路单元的结构示意图；
23.图3是使用本发明装置其中两个电极间隙为5mm时的测试结果。
24.图中，1.屏蔽盒，2.接线柱单元，3.脉冲激光二极管，4.脉冲激光二极管，5.第一电缆，6.载物平台单元，7.限流电阻，8.第二电缆，9.第三电缆；
25.2-1.第一接线柱，2-2.第二接线柱，2-3.第三接线柱；
26.6-1.屏蔽托盘，6-2.第一金属电极，6-3.高压穿心电容，6-4.绝缘基层，6-5.半绝缘砷化镓材料试样，6-6.第一高压微带线，6-7.第二金属电极，6-8.第二高压微带线。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
28.实施例1
29.本发明提供半绝缘砷化镓材料负微分电场阈值的测量装置，如图1-2所示，包括有屏蔽盒1，屏蔽盒1的尺寸为：长
×
宽
×
高＝30cm
×
30cm
×
10cm，
30.屏蔽盒1内由上至下依次设置有驱动电路3、脉冲激光二极管4及承载砷化镓材料的电回路单元；其中，驱动电路3一侧与脉冲激光二极管4连接，驱动电路3的另一侧设置有穿过屏蔽盒1顶板的接线柱单元2；承载砷化镓材料的电回路单元位于脉冲激光二极管4下方；承载砷化镓材料的电回路单元外接电源。
31.实施例2
32.本发明提供半绝缘砷化镓材料负微分电场阈值的测量装置，如图1-2所示，包括有屏蔽盒1，屏蔽盒1的尺寸为：长
×
宽
×
高＝30cm
×
30cm
×
10cm，
33.屏蔽盒1内由上至下依次设置有驱动电路3、脉冲激光二极管4及承载砷化镓材料的电回路单元；其中，驱动电路3一侧与脉冲激光二极管4连接，驱动电路3的另一侧设置有穿过屏蔽盒1顶板的接线柱单元2；承载砷化镓材料的电回路单元位于脉冲激光二极管4下方；承载砷化镓材料的电回路单元外接电源。
34.其中，屏蔽盒1主要起静电屏蔽和遮光的作用，以保证实验的可靠性和安全性。
35.接线柱单元2包括第一接线柱2-1、第二接线柱2-2及第三接线柱2-3；第一接线柱2-1为ttl信号输入接口，第二接线柱2-2为地接口，第三接线柱2-3为+12v供电电源接口，其中ttl信号与供电电源共地。脉冲激光二极管4的驱动电路3采用12v的电源为电路供电，并以ttl信号作为触发信号。驱动电路3采用康力华光电之家splpl90-3脉冲驱动板。
36.脉冲激光二极管4为欧司朗的spl90-3型脉冲激光二极管，脉冲激光二极管4的脉宽大于等于20ns，触发光能小于等于0.1μj。
37.承载砷化镓材料的电回路单元包括通过第一电缆5连接的载物平台单元6及限流电阻7；限流电阻7起到保护高压电源的作用。载物平台单元6位于脉冲激光二极管4下方；载物平台单元6与限流电阻7(10mω)分别通过第二电缆8及第三电缆9与外接电源形成回路。
38.载物平台单元6包括有长方体形的屏蔽托盘6-1，屏蔽托盘6-1内设置有绝缘基层6-4，还包括有半绝缘砷化镓材料试样6-5，半绝缘砷化镓材料试样6-5设置在绝缘基层6-4上表面；还包括有第一金属电极6-2、第二金属电极6-7、第一高压微带线6-6及第二高压微带线6-8；其中，绝缘基层6-4为绝缘玻璃纤维板材，起到与屏蔽盒1相隔离的作用。
39.第一金属电极6-2、第二金属电极6-7设置在半绝缘砷化镓材料试样6-5上表面；
40.第一金属电极6-2依次与第一高压微带线6-6及高压穿心电容6-3连接，高压穿心电容6-3还与第三电缆9连接；其中，以sma为接口的穿心电容6.3为整个系统供电；
41.屏蔽托盘6-1的第一侧壁上设置有第一sma接口，第二高压微带线6-8通过第一sma接口与第二电缆8连接，第二高压微带线6-8还与第二金属电极6-7连接；半绝缘砷化镓材料试样6-5(尺寸为：长
×
宽
×
厚＝1cm
×
1cm
×
300μm)位于脉冲激光二极管4下方。
42.第一金属电极6-2与第二金属电极6-7结构相同，均包括由上至下依次设置的au层及ni层。，ni层直接与半绝缘砷化镓材料试样6-5上表面接触。其中，au层的厚度为100nm，ni层的厚度为200nm，au层及ni层的尺寸均为：长
×
宽＝6mm
×
3mm，圆角半径1.5mm。
43.载物平台单元6为半绝缘砷化镓材料接入电路提供便利，并以高压穿心电容6-3为供电装置，sma接口与高压同轴电路相对应。
44.本发明装置的工作原理为，通过极弱光触发半绝缘砷化镓材料，确保其在大范围的电场强度下工作于线性模式下的非饱和状态，以其在不同偏置电场下输出的电脉冲幅值的变化作为参考标准，方便快捷的确定材料的负微分电导区域。本装置的载物平台与屏蔽盒相分离，可以将待测材料焊接于载物平台上，再将载物平台连接于测试电路中，为测量提供了便利。
45.实施例3
46.本发明还提供一种半绝缘砷化镓材料负微分电场阈值的测量方法，采用上述实施例2中的半绝缘砷化镓材料负微分电场阈值的测量装置进行测量，具体为：首先在半绝缘砷化镓材料试样6-5的上表面设置间隙为5mm的第一金属电极6-2及第二金属电极6-7，其次将半绝缘砷化镓材料试样6-5焊接到绝缘基层6-4上，最后将载物平台单元6放置到屏蔽盒1内，接通驱动电路3的ttl触发信号源，同时使第二电缆8与示波器(带宽大于等于300mhz，采样率达1g以上)连接，连接后的示波器再与第三电缆9一起与高压电源接通形成回路；使不同的偏置电压(偏置电压的范围为0-3千伏，每间隔100伏测试一次)通过半绝缘砷化镓材料试样6-5，最终在示波器上得到波形图；绘制半绝缘砷化镓材料试样6-5在不同偏置电压下输出电脉冲幅值的变化便可以确定半绝缘砷化镓材料试样6-5的负微分电导区域。
47.本发明主要目的是基于光电导脉冲幅值法测量半绝缘砷化镓材料的负微分电导区域，通过合理设置实验参数和设计测量仪器，可以方便快捷的测试半绝缘的砷化镓材料的负微分电导区域，具体效果如图3所示。
48.图3为5mm间隙的半绝缘砷化镓材料的测量结果，由测试结果可知能够得到半绝缘砷化镓材料的负微分电场区域的范围为2.4kv/cm-4.7kv/cm，通过调整两个金属电极之间的间隙重复上述测试方法，还可以得到相应的负微分电场区域的范围，由此可见此本发明装置具有很好的稳定性和灵活的应用范围。

技术特征：
1.半绝缘砷化镓材料负微分电场阈值的测量装置，其特征在于，包括有屏蔽盒(1)，屏蔽盒(1)内由上至下依次设置有驱动电路(3)、脉冲激光二极管(4)及承载砷化镓材料的电回路单元；其中，驱动电路(3)一侧与脉冲激光二极管(4)连接，驱动电路(3)的另一侧设置有穿过屏蔽盒(1)顶板的接线柱单元(2)；承载砷化镓材料的电回路单元位于脉冲激光二极管(4)下方；承载砷化镓材料的电回路单元外接电源。2.根据权利要求1所述的半绝缘砷化镓材料负微分电场阈值的测量装置，其特征在于，所述接线柱单元(2)包括第一接线柱(2-1)、第二接线柱(2-2)及第三接线柱(2-3)；第一接线柱(2-1)为ttl信号输入接口，第二接线柱(2-2)为地接口，第三接线柱(2-3)为+12v供电电源接口。3.根据权利要求1所述的半绝缘砷化镓材料负微分电场阈值的测量装置，其特征在于，所述脉冲激光二极管(4)的脉宽大于等于20ns，触发光能小于等于0.1μj。4.根据权利要求1所述的半绝缘砷化镓材料负微分电场阈值的测量装置，其特征在于，所述承载砷化镓材料的电回路单元包括通过第一电缆(5)连接的载物平台单元(6)及限流电阻(7)；载物平台单元(6)位于脉冲激光二极管(4)下方。5.根据权利要求1所述的半绝缘砷化镓材料负微分电场阈值的测量装置，其特征在于，所述载物平台单元(6)包括有长方体形的屏蔽托盘(6-1)，屏蔽托盘(6-1)内设置有绝缘基层(6-4)，半绝缘砷化镓材料试样(6-5)设置在绝缘基层(6-4)上表面；还包括有第一金属电极(6-2)、第二金属电极(6-7)、第一高压微带线(6-6)及第二高压微带线(6-8)；第一金属电极(6-2)、第二金属电极(6-7)设置在半绝缘砷化镓材料试样(6-5)上表面；第一金属电极(6-2)依次与第一高压微带线(6-6)及高压穿心电容(6.3)连接，高压穿心电容(6-3)还与第三电缆(9)连接；屏蔽托盘(6-1)的第一侧壁上设置有第一sma接口，第二高压微带线(6-8)通过第一sma接口与第二电缆(8)连接，第二高压微带线(6-8)还与第二金属电极(6-7)连接；半绝缘砷化镓材料试样(6-5)位于脉冲激光二极管(4)下方。6.根据权利要求5所述的半绝缘砷化镓材料负微分电场阈值的测量装置，其特征在于，所述第一金属电极(6-2)与第二金属电极(6-7)结构相同，均包括由上至下依次设置的au层及ni层。7.半绝缘砷化镓材料负微分电场阈值的测量方法，其特征在于，采用如权利要求6所述的测量装置进行测量，具体为：首先在半绝缘砷化镓材料试样(6-5)的上表面设置具有确定间隙的第一金属电极(6-2)及第二金属电极(6-7)，其次将半绝缘砷化镓材料试样(6-5)焊接到绝缘基层(6-4)上，最后将载物平台单元(6)放置到屏蔽盒(1)内，接通驱动电路(3)的ttl触发信号源，同时使第二电缆(8)与示波器连接，连接后的示波器再与第三电缆(9)一起与高压电源接通形成回路；使不同的偏置电压通过半绝缘砷化镓材料试样(6-5)，最终在示波器上得到波形图；绘制半绝缘砷化镓材料试样(6-5)在不同偏置电压下输出电脉冲幅值的变化便能够确定半绝缘砷化镓材料试样(6-5)的负微分电导区域。

技术总结
本发明公开了一种半绝缘砷化镓材料负微分电场阈值的测量装置，包括有屏蔽盒，屏蔽盒内由上至下依次设置有驱动电路、脉冲激光二极管及承载砷化镓材料的电回路单元；其中，驱动电路一侧与脉冲激光二极管连接，驱动电路的另一侧设置有穿过屏蔽盒顶板的接线柱单元；承载砷化镓材料的电回路单元位于脉冲激光二极管下方；承载砷化镓材料的电回路单元外接电源。该装置能够测量半绝缘砷化镓材料的负微分电导区域。还公开了一种半绝缘砷化镓材料负微分电场阈值的测量方法。电场阈值的测量方法。电场阈值的测量方法。


技术研发人员：王少强 王剑 李建 李雨岭 彭韵 李亚辉
受保护的技术使用者：内江师范学院
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/8/14