（材料物理与化学专业论文）半导体二极管中负电容的表征和测量.pdf

摘要 半导体二极管的电特性表征一直是一个非常重要的课题，但有关其正向交流 特性的一般分析却很少见之于报导。迄今为止，已在很多半导体器件中观察到负 电容现象，但是几乎所有报导中都未正确地区别表观电容和结电容，且采用不同 方法测量的电容数据相去甚远，更难以同作者们提出的理论模型定量地符合。 在本文中，我们详尽地搜寻和考察了已有的有关负电容的几乎所有的报导， 总结了已取得的结果和尚存在的不足，重点放在对各种测试方法的分析和讨论 上，并提出了一些改进意见。我们详尽地分析了半导体二极管正向交流特性，给 出了结电容及其它一些参数在各种条件下的表达式。我们发现，在正向偏压下， 交流特性的实部和虚部总是紧密联系在一起的，必须同时测量，一并计算。利用 我们提出的方法，我们测试了g a n 基肖特基二极管和发光二极管的正向交流特 性，发现在较大电压下它们大都呈现负电容现象。一般说来，频率越低，电压越 高，负电容现象越明显。肖特基二极管负电容可能与陷阱效应有关，g a n 基发 光二极管的负电容效应则很可能与发光有关。 实验结果表明，本文提出的方法是可靠、灵敏的，它有望在器件的应用和理 论研究上发挥更重要的作用。 关键词：g a n ，肖特基，发光二极管，结电容，负电容 a b s t r a c t e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i z a t i o no fs e m i c o n d u c t o ri sa l w a y sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hf i e l d b u tw es e el i t t l eo fp u b l i s h e d r e p o r t a b o u tt h en o r m a l a n a l y s i s o fe l e c t r o n i c c h a r a c t e r i z a t i o no fs e m i c o n d u c t o rw i t ha c s i g n a la tf o r w a r db i a s u pt on o 、v - t h e p h e n o m e n a o fn e g a t i v ec a p a c i t a n c eh a v eb e e nf o u n di nm a n ys e m i c o n d u c t o rd e v i c e s b u tm o s to ft h e r e p o r t s c o u l d n td i f f e r e n t i a t ej u n c t i o n c a p a c i t a n c ef r o ma p p a r e n t c a p a c i t a n c e t h ed a t ao fc a p a c i t a n c e i nt h e s er e p o r t ss h o wm u c hd i f f e r e n c ef r o me a c h o t h e r , a n dt h e yc a n n o tb ec o i n c i d e n tq u a n t i t a t i v e l yw i t ht h ei d e a lm o d e lb u i l tb yt h e a u t h o r s i nt h i s t h e s i s ，w es e a r c h e da n d s t u d i e da l m o s ta l lt h e r e p o r t s a b o u tn e g a t i v e c a p a c i t a n c e ，r e v i e w e da c h i e v e m e n t sa n d l i m i t si nt h e s er e p o r t s w e p u to u re m p h a s i s o nt h ed i s c u s s i o na n da n a l y s i sa b o u tt h et e s tm e t h o d s ，a n dg a v es o m es u g g e s t i o nt o i m p r o v e t h e s em e t h o d s w e a n a l y z e dt h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i z a t i o no fs e m i c o n d u c t o r w i t ha cs i g n a la tf o r w a r db i a s d e t a i l e d l y , s h o w e dt h ee x p r e s s i o n s o fj u n c t i o n c a p a c i t a n c ea n do t h e rp a r a m e t e r sa td i f f e r e n tc o n d i t i o n s a n dw ef o u n dt h a tt h er e a l a n di m a g i n a r yp a r t sh a v ev e r yc l o s er e l a t i o na n dn e e dt ob et e s t e da n dc a l c u l a t e d t o g e t h e r w i t ho u rm e t h o d ，w et e s t e dt h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i z a t i o no fg a n - b a s e d d i o d ea n d l i g h t e m i t t i n gd i o d e w i t ha c s i g n a la tf o r w a r db i a s ，a n df o u n dm o s to ft h e d i o d e sh a v ep h e n o m e n ao fn e g a t i v ec a p a c i t a n c e c o m m o n l y , t h el o w e ri sf r e q u e n c y a n dt h eh i g h e ri sv o l t a g e ，t h ep h e n o m e n ao fn e g a t i v ec a p a c i t a n c ea r em o r em a r k a b l e n e g a t i v ec a p a c i t a n c eo fs c h o t t k yd i o d ew o u l d b er e l a t e dw i t h t r a pe f f e c t ，a n dm a y b e n e g a t i v ec a p a c i t a n c eo f g a n b a s e dd i o d ec o u l db ed u et ol u m i n e s c e n c e t h er e s u l to fo u re x p e r i m e n ts h o w e dt h a to u rm e t h o dj sr e l i a b l ea n ds e n s i t i v e a n d w et h i n kt h i sn e wm e t h o d m a yp a y a l li m p o r t a n tr o l ei nt h ef i e l do ft h e o r i c a lr e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o no f s e m i c o n d u c t o ri nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：g a n ，s c h o t t k y , l e d ，j u n c t i o nc a p a c i t a n c e ，n e g a t i v ec a p a c i t a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤壅盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：丧岜宝擎 签字日期：支佃弓年月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盎洼盘生有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名趣锋 1 导师签名： 易红己 签字日期：a 卯j 年月多日签字日期：啪o3 年f 月厂日 第一章绪论 第一章绪论 二极管是最简单的、也是应用非常广泛的半导体器件，还是更复杂器件的基 本组成单元，极具研究价值。二极管的电特性表征和测量一直是一个非常重要的 课题。由于二极管经常工作在正向偏压下，所以在正向偏压下对二极管进行测量 和分析更具有重要性。 近年来，g a n 基器件发展很快，其主要特点是g a n 基材料具有宽的带隙， 覆盖了从红外到紫外的光谱范围；其次，这种材料是直接带隙半导体材料，不存 在波矢动量守恒问题，能以带间跃迁方式获得高效的辐射复合，因此特别适合用 来制作发光器件；此外，c a n 基半导体材料还具有导热性能好和电子饱和速率 高以及物理化学性质稳定等优点。这种宽禁带材料器件的特征研究带来很多新的 课题。 在二极管的电特性研究方向中，迄今为止最重要的方法是i v 和c v 法， 但是它们各具有很大的局限性。我们通过查阅文献发现，在二极管电特性的研究 中缺乏正确的正向交流特性的表征理论大概是最严重的问题了。它大大影响了实 验工作的开展，而由于缺少了实验验证，又使已有的有关正向交流特性的理论研 究工作进展不大，且难以为继。课题的重要性与目前的研究现状的反差大为惊人。 我们提出利用二极管在正向偏压下的交流信号特性，同时结合正向偏压下 i v 特性，来计算二极管的结电容、确定串联电阻的大小、判断有无高阻界面层 并估算界面层的电阻和电容。这种方法是我们首次提出并应用于实际工作当中 的。 从我们的经验来看，各种半导体器件的负电容效应是存在比较广泛的一类现 象。但是由于过去人们对正向偏压结电容的测试比较缺乏信心，即使看到一些新 的现象也不能得到很好的解释。可以肯定的是，不同半导体器件的负电容现象具 有不同的特点，对应着不同的内部输运机制，对他们的研究可能包含着丰富的物 理内容，并有较大的实用价值。 在本文中，我们主要考察和研究半导体二极管的负电容现象。发现过去已有 的这方面的研究有较多模糊和不当之处。我们用自己提出和发展的二极管的正向 交流特性表征理论重点研究了g a n 肖特基结和p - n 结发光二极管在正向偏压下 的结电容和电压的关系，并考虑了串联电阻对测试结果的影响，发现其在大正向 电压下电容往往呈现负值，并确认其为结效应。后来我们又通过二极管的调制发 光特性研究，基本确定了这种负电容现象是由大正向电注入引起的电子- 空穴复 第一章绪论 合发光造成的。由于结电容的变化与器件内部的物理过程有着直接关系，所以对 不同频率下的结电容与电压关系曲线的分析，将有助于更详细的了解器件的结构 和性能。本文对g a n 肖特基结和p - n 结二极管的测量结果，有望对g a n 半导体 器件的设计，制备和性能检测有重要的参考价值。 本文第二章非常详细地列举和分析了迄今为止国际上对各种器件负电容现 象的研究现状，分析了研究中存在的主要问题；第三章分析了近年来越来越多作 者采用的快速傅立叶变换( f f r ) 测量器件电容的一般方法、主要不足及我们提 出的改进意见；第四章给出了我们对半导体二极管正向偏压并联模式和串联模式 下的等效电路的一般分析和结电容、串联电阻以及其它参数的测量和计算方法。 第五章运用第四章提出的方法分别对并联模式和串联模式下的g a n 肖特基结二 极管和p i 1 结发光二极管的结电容进行了计算，证明了我们所提出的方法的正确 性，观察到了显著的负电容现象，并给出了一定解释。 第二章负电容现象的研究现状 第二章负电容现象的研究现状 人们很早就观察到了半导体器件中的负电容现象，但是这种现象在很长时间 内并没有引起学术界的足够重视，甚至曾经被完全归结为测量时仪器和方法的误 差，目前对于这一现象的报道和解释仍是众说纷纭。我们至今尚未看到国内其他 研究小组有关这种现象的报道。为了对这一问题的解读指出正确道路，我们认为 有必要就已有的全部研究成果中的诸多问题进行详尽的历史性的考察。 迄今为止，在很多种器件中已经观测到负电容现象，其中包括异质结和同质 结，晶体和非晶体的半导体器件，这些器件中有p - n 结、肖特基结、同质结远红 外探测器、量子阱红外光探测器等半导体器件，涉及的材料有s i 、g e 、g a a s 、 h g c d t e 、s e 等等【“吲。近年来，我们在发光二极管中也发现了明显的负电容现 象。近期越来越多的作者肯定了负电容现象是确实存在的，并对其进行了研究与 分析，但是对于这一现象的解释还没有统一的、有足够说服力的权威说法，也就 是说对负电容现象的本质研究还远不够深入和细致。 一种器件的负电容现象在表观上的反映是其电容值在某些频率和电压范围 ( 通常是正向电压1 呈现负值，在大多数情况下常可见到的是随着电压增大，频率 降低而减少并最终达到负值。比如人们在s i 的p n 结二极管上看到有类似频率 特性的深能级陷阱的负电容现象，交流调制信号的频率越低，负电容响应越强 7 1 。 c h c h a m p n e s s 等人也观测到了s e n 肖特基二极管的负电容现象，测试频率越 低，负电容现象越明显。并且电容在某一电压下达到一个最小值( 即负电容的绝 对值最大) ，然后随着电压的增大而增大，最后在更大的电压下结电容又变为正 值【2 7 1 。e r s h o y 等人提出利用正向脉冲瞬态充放电测量的方法确定观测到了负电 容现象，并认为当测试频率大于1 m h z ，电压较小时，电容趋近于常数，随着电 压的升高以及频率的下降电容值下降很快并达到负值【3 9 1 。但是，不是每个二极管 都存在这种现象，有的二极管并没有观察到这种现象。现在人们对于负电容现象 的表观认识基本统一，当然不同的半导体器件由于其微观物理机制的不同，负电 容的表观现象当然不尽相同。但是各种器件的负电容现象的出现还是存在一般规 律的。 负电容现象的形成原因可能是多种多样的，一般与器件的种类、结构和工艺 第二章负电容现象的研究现状 有关。当然，对同一种器件不同作者也可能有不同的物理机制方面的解释，在我 们看来应该说其中某些作者的解释存在明显的问题。例如，b u t c h e r 等人认为电 路外部寄生电感是产生负电容的主要原因【加】，我们认为一个被承认的物理现象必 须是能够被不同的人做的同类实验所重复的，而寄生电感肯定和输入线与测量设 备的相对位置有关，这样，不同作者实验中不同的“寄生电感”肯定导致不同的 “负电容”与电压和频率的响应关系。即使同一作者其实验现象也难以完全重复。 此外，寄生电感的数量级和负电容( 应是我们下面所指的结电容) 的数量级相差 很大。所以上述解释是牵强的，站不住脚的，下面我们不对其予以考虑。x w u 等人提出一个两能级的简化模型，指出由于碰撞电离而使费米能级以下的占据态 界面电荷消失，而不是随着电流的增大而积累，是造成二极管出现负电容的原因 【”。但是按照这种观点，我们认为负电容现象应该在低温和高频条件下更容易观 察到，这与后来报道的负电容现象不符。还有人提出二极管中的二种导体之间的 界面层变薄，导致在大电压下其充放电过程中产生负电容效应【3 1 】。也有人认为少 数载流子的高能级注入是造成负电容现象的主要原因【2 2 】。对于半导体p - n 结的负 电容现象，通常认为可能与高能级注入( 如内部电场效应) 或深能级陷阱的充放 电效应有关。此外，人们在金属半导体肖特基二极管、g a a s a 1 g a a s 量子阱红 外光检测器和g a a s 同质结红外检测器等电子器件上也观察到了负电容现象，并 提出了不同的解释【1 8 ，2 3 2 s 】。对于宽禁带的半导体，界面陷阱被占据的数量可以认 为由准费米能级决定。当采用比陷阱的响应时间低的多的频率来测量时，陷阱对 电容有贡献，当采用较高的频率来测量时，陷阱对电容没有贡献。所以，其结果 与测试频率有很大关系。界面陷阱的存在也是造成二极管出现负电容现象的一个 因素。近年来，同质结半导体器件的负电容现象研究有了一定的进展，认为当电 流滞后于电压，传导电流大于位移电流时负电容现象出现【4 1 】。可以肯定的是，不 同半导体器件的负电容现象具有不同的特点，对应着不同的内部运输机制，对他 们的研究可能包含着丰富的物理内容，并有较大的实用价值。在我们看来，以往 对负电容现象的可信解释可大致分成以下几类：一是注入的载流子在某些深能级 陷阱上被俘获：二是注入的载流子在多个能级上的多次俘获和发射；三是由于高 阻器件上某种驰豫造成的电流对于电压的滞后。 从上面论述可以看出，半导体器件的负电容效应是一种存在非常广泛的现 象，但是由于过去人们对正向偏压下器件电容的测试缺乏信心，即使看到一些新 4 第二章负电容现象的研究现状 的现象往往也不敢承认和肯定，常常错误地以测量仪器问题所导致的实验误差的 草率和简单解释来敷衍了事。实际上，我们自己以及与合作单位共同进行的测试 工作中就碰到多次这种情况。因此可以肯定，几十年来各国的实际工作者接触到 的负电容现象远比已报道的多的多。这或许可以看作是半导体器件物理领域中的 重大疏漏和失误。有的文献虽然报道了负电容现象，并肯定了它是客观存在的一 种物理现象，但是由于缺乏可靠的实验依据只能凭借想象找出这种现象的形成原 因。这些都是由于没有一种有效的测试方法引起的。 我们认真地查阅了几十年来能找到的所有文献，我们惊奇地发现所有的已报 道的各种器件的负电容现象都只涉及实验直接测得的并联模式下器件整体的表 观电容，尽管一些作者或有意或无意地掩饰这一点。就本文主要研究的二极管来 说，这种表观电容与实际的结电容有很大区别，二者绝不能混为一谈。实际上， 正如我们后面所要论述的，二极管的正向结电容的数值在较大的电压下要远大于 这种表观电容的数值，所以当负电容效应出现时，结电容的负值是相当可观的， 远比已有文献所报道的数值大的多。也就是说已有的工作都未给出通过表观电容 求出结电容的方法，甚至一些文章的等效电路图就是值得怀疑的。说明对于这一 现象的研究还需要大力加强，要给予足够的重视。 近年来，一些作者转向利用正向脉冲瞬态充放电测量的方法确定观测到了负 电容现象【3 6 矧，但是通过仔细分析我们发现他们测得的仍是并联模式下的表观电 容。此外由于在测试方法以及数据处理中可能存在一些疑点，例如或许与脉冲电 压的幅度小( 为m v 数量级) ，可测的充放电时间范围太小( 为秒数量级) 和用 到的f f t 方法( 快速傅立叶变换法，此方法需要一定的适用条件，本身具有一 定误差) 的适用范围的限制有关，一些测量结果的误差很大，同一文章中交流法 和脉冲法两种测量结果在一些电压和频率下的电容值竟相差几个数量级。 在这里我们把截止目前为止，国外已经发表的有关负电容现象的重要报道汇 总如表2 - 1 所示，以供今后深入研究时参考。 表2 - 1 ：负电容现象的研究状况汇总 时间，出处题目作者要点备注 1 j p n 5 n e g a t i v e t a k a s h i有深能级陷阱的s i 二极 此文篇幅不大， h p p l p h y s c a d a c1 t a n c en o g u c h i管中的负电容现象，通过对以后负电容工 5 第二章负电容现象的研究现状 1 9 ( 1 9 8 0 ) o f s i i i c o nm a s a n a o 陷阱的充放电效应来解作影响却比较 n o 7d i o d ew i t h k i t a g a w aa n d释此现象。给出了电容c大。不过此文中 d e e p l e v e li c h i r o 与频率的关系。讨论g 和c 的关 t r a p st a n i g u c h i系的图3 看起来 不错，但是这里 测得的g 和c 都 是表观的。 2 s o l i d s tf o r w a r d - b i a f s a n d o v a l ，g a a sz 。只发光二极管中的引入多个寄生电 a t es i m p e d a n c ec i l j o p e za n d负电容现象，认为大的串感解释负电容现 e 1 e c t r o n i co fe m u n o z 联电阻和电导调制效应象，过于牵强， s v 0 1 2 5 g a a s i _ 。p 可能与其有关。物理意义不清。 n o 5 ， l e d s p p 3 5 5 3 5 7 ，1 9 8 2 3 a p p l a n o m a l o u s c h c h a m p n e认为负电容现象是由于 p h y s l e t t i n d u c t i v es sa n d 高能级注入造成的，并且 5 6 ( 1 2 ) 。1 9e f f e c t飘r c l a r k提出了两能级的简化模 m a r c h1 9 9 0i ns e l e n i u m 型来解释负电容现象。 s c h o t t k y d i o d e s 4 j a p p l n e g a t i v e c h e na n df 非晶s i 膜中的负微分电 p h y s d i f f e r e n t i a j a n s e n容。通过考虑场依赖载流 6 7 ( 1 2 ) 子和载流子输运来解释 1 5 j u n ec a p a c i t a n c e负电容现象。观察到的结 1 9 9 0o fa m o r p h o u s 果与一定情况下的空间 s i l i c o n 电荷形成有关。 f i l m s 5 p h i o s o pa n o m a l o u sm a r cb e a l e许多介电材料表现出随 h i c a lr e a c t a i l c e 时间变化的微分电导。大 6 第二章负电容现象的研究现状 m a g a z i n e b e h a v i o l l r的微分电导导致了负电 b ，1 9 9 0 ， d u r i l 2 9 t h e容现象。这里器件是z n s v 0 1 6 5 i m p e d a n c e m e t a l i n s u l a t o r m e t a l n o 1 ，6 5 7 7 a n a l y s i so fd e v i c e s 。 t l m e - v a r y l n gd i e l e c t r i c s y s t e m s 6 j a p p l n e g a t i r e x 轧金属半导体界面的负电用界面势垒处两 p h y s f i a d a c l t a n c e e ，s y a n g ，容效应。陷阱能级的俘获 6 8 ( 6 ) a ta n d和再发射来解释 1 5m e t a l s e m i ch l e v a n s 负电容现象。 s e p t e m b e r 0 1 2 d u c t o r 1 9 9 0i n t e f f a c e s 7 c a n j a n o m a l o u s_ r c l a r ks e t l 结构中的负电容由等效电路似有疑 p h y s 6 9 i n d u c t i v ea n d于是由于高能级注入造 点。 3 “一3 1 6e f f e c t c t t c h a m p n e成的，给出了线路模型。 1 9 9 li ns c h o t t k ys s对多量子阱红外探测器。 3 u n c t l o i i s 8 p h i l o s o p t h e o r i g i n s m a r eb e a l e 在z n s 金属一绝缘体一金属 h i c a la n da n dp e t e r型导体中发现了显著的 m a g a z i n eb ， c h a r a c t e r i s m a c k a y负电容现象。并且在高频 1 9 9 2 ， v 0 1 t i a so f情况下负电容现象更加 6 5 ，n o 1 ，1 2 e g a t l y e强烈。 4 7 - 6 4e e l ) a c l t a n c e m e t a l - i n s a l a t o r m e t a l ( 1 e v l e e s 7 第二章负电容现象的研究现状 9 s o l i d s ta n b u t c h e r ，k ，由于在正向s c h o t t k y 势本文值得注意， a t e1 n s t r u m e n t as a ： 垒中，器件的电导很大，它指出过去对负 e l e c t r o n i c1s o l u t i o n t a n s l e y ，t 或者器件中出现大的漏电容研究未区别 sv o l u m e ：t ot h e l ：a l e x i e v ，电流时，在低频下忽略寄表观电容和结电 3 9 ，i s s u e ：p n e n o m e n o nd 生串联电感的作用是不容，并在引入串 3 ，m a r c h ，o fn e g a t i v e正确的。此文中对实验数联寄生电导的情 1 9 9 6 ，p p c a p a c1 t a n c e据的模拟表明仪器的电况下给出表观电 3 3 3 - 3 3 6s1 n 导是可以提供一个对负导和表观电容表 s e m i c o n d u c t 电容现象的解释的。达式，但未给出 结电导的表达 式，因此未将工 作最后完成。另 外对串联寄生电 导的作用似乎说 的也过于武断。 l o j o u r n a ln e g a t i v et j p h i l l i p此文从连续性方程入手 o fd i f f u s i o nsa n d求解电容的表达式。认为 e l e c t r o n i c c a p a c l t a n c e n t _ g o r d o n 负电容取决于电荷陷阱， m a t e r i a l s 与负电阻无关。高频下的 v 0 1 2 5 ，a u g e r - s u p p r电容可以用来预测器件 n o 8 1 9 9 6e s s e dh g c d t e 的高频性能极限。器件为 h e t e r o s t r u c h g c d t e 异质结构二极管。 t u r e d i o d e s 1 1 a p p l u n u s u a l m e r s h o v ，考虑电容由总电流中的实验结果与理论 p h y s l e t t c a p a c i t a n c e h c l i u 两个分量一位移分量和传模拟定性符合， 7 0 ( 1 4 ) 。 7b e h a v i o ro fl l i m b u c h 导分量的相互作用决定定量符合很差。 a p r i l1 9 9 7q u a n t u mw e l l a n a n ， a n d 的，如果传导电流比位移估计实验数据是 第二章负电容现象的研究现状 i n f r a r e dz r w a s i f e w 电流大的多，电容是由通表观的，而理论 p h o t o d e t e c t s k l 过结构的电流决定的，并计算结果是对多 0 r s 没有充电效应。在这种情量子阱而言。当 况下，建立在瞬态特性上然，用f f t 方法 的电容计算方法，例如增还可能产生大的 量电荷分离法是不可行系统误差。 的。而应该用严格的傅立 叶分析法或正玄静态分 析法。 1 2 a p p l e f f e c to f j e a n - c l a u d e在高温情况下绝缘体 p h y s l e t t n e g a t l v e m p e k ob a f e 0 。在频率相对较低 7 1 ( 2 5 ) 2 2c a p a c l t a n c e时出现了负电容现象。 d e c e m b e r 1 9 9 7 h i g h t e m p e r a t a r e d i e l e c t r i c e a s u r e m e n t sa t r e l a t i v e l y l o w r r e q u e n c y 1 3 s 0 1 i do h m i ci - v j o n e s ，采用驰豫理论解释半绝 s t a t ec h a r a c t e r i sb k ： 缘欧姆型的半导体二极 c o m m u n i c a tt l e s1 n s a n t a n a ，管的负电容现象。采用s i 1 0 n ss e m i i n s u l a j 6 ：和g a a s 高阻器件。 v o l u m e ： t l n g m c p h e r s o n ， 1 0 5 i s s u e ：s e m i c o n d u c tm 9 ，m a r c h ， o rd i o d e s 1 9 9 8 ，p p 第二章负电容现象的研究现状 5 4 7 5 4 9 1 4 a p p l l o wn c c h e n 通过联合两个电流分量， p h y s l e t t f r e q u e n c yp y w a n g a n文章采用响应理论分析 v 0 1 7 2n o 9 n e g a t i r e了负电容的起因和它相 2m a r c h c a d a c l t a n c ej f c h e n应的频率依赖的电导充 1 9 9 8b e h a v i o ro f 放电电流和惯性传导电 i n 0 1 e c u l a r导电流，实验结果分析表 明两种电流的激活能和 e p i t a x i a l时间常数是非常相似的， g a h sn - l o w并且应该对应于同样的 t e m p e r a t u r e陷阱。作者在低温退火的 一1 一p g a a si - p 结构中观察到 s t r u c t u r e0 7 7 e v 的产生一复合中 w i t hl o w心。 t e m p e r a t u r e l a y e rg r o w n a ta l o w t e m p e r a t u r e 1 5 s o l i d n e g a t i v ej o n e s b k ：对于金属一半导体或者高 s t a t e c a p a c i t a r l c es a n t a n a l ，体材料，负电容的机制可 s e r e i c o n d u c t j ：能与材料的驰豫特性有 v o l u m e ：o rd i o d e sm e p h e r s o n ，关，并且可以从已有的理 i 0 7 i s s a e ： m 论预测到。 2 ，1 9 9 8 ， p p 4 7 5 0 1 6 i e e e n e g a t i r em e r s h o v ，负电容现象的正确解释此文为综述文 t r a n s a c t i o c a p a c l t a n c e h c l i u 建立在时间域的瞬态电 章，引文较全， 1 0 第二章负电容现象的研究现状 n so ne f f e c ti nll i 流对小的阶跃电压或脉有较大参考价 e l e c t r o ns e m i c o n d u c t m b u c h a n a n ，冲的响应的基础上，包括值。 d e v i c e s o rd e v i c e sz r w a s i l e w所有相关的物理效应( 载 v 0 1 4 5 s k ia n d流子运输，注入，二次充 n o 1 0 a n d r e w 电) 自发统一的过程。 o c t o b e r k j o n s c h e r 1 9 9 8 1 7 a p p l i e d e f f e c to fz x u a n d 正向偏压下，当频率增高 s u r f a c ec d o c h c h a m p n e时，在s e c d o - b i 二极管 s c i e n c e i n t e r l a y e r中发现了负电容现象。作 v o l u m e ：者认为此现象是由于延 1 2 3 - 1 2 4 ， e l e c t r i c a l长了载流子通过界面层 j a n u a r y ， c h a r a c t e r i s的时间或者减少了现有 1 9 9 8 ，p p t i c si n的电磁感应对内在电容 4 8 5 - 4 8 9s e b id i o d e s的影响。 1 8 a p p l n e g a t i v e f l e m m ia n d在足够大的正向偏压下 交流小信号法和 p h y s l e t t c a d a c l t a n c e n m j o h n s o n低频范围内测试电容出f f t 法对负电容 v 0 1 7 4 现负值。用瞬态电流法对的符号判断是同 n o 2f o r w a r d 结果进行证明。两个掺杂样的，但是数量 1 1 j a n u a r y b i a s e d 层的界面处，陷阱对电子级有时候相去甚 1 9 9 9 h y d r o g e n a t e和空穴的分离，延迟的俘远。我们认为原 d a m o r p h o u s获过程是引起负电容的因可能在于作者 s i l i c o n 物理机制。未分清表观电容 p 一1 - n和结电容。 d i o d e s 1 9 a p p l n e g a t i r e a g ，u p e r e rg a a s 同质结导体中的界交流小信号法与 p h y s l e t t c a p a c l t a n c e面层的载流子的俘获和f f t 方法测量结 v 0 1 7 4 o fg a a s w z s h e n ，发射是造成负电容现象果偏差很大。 1 1 第二章负电容现象的研究现状 n o 2 1 h o m o j u n c t i oa n d m e s h a y的主要原因。 2 4m a y1 9 9 9 f a r - i n f r a r e dd e t e c t o r s 2 0 p h y s i c ac a p a c i t a u c e九j c h i q u i t对于i n a s g a a s 的自组织 1r e v i e wb v o l t a g eo ，量子点，观察到负的微分 v 0 1 6 l p r o f i l ei nay u a p u s e p 电容。 n o 8s t r u c t u r e s m e r g u l h a o 1 5f e b r u a r yw i t h 2 0 0 0 一i i n e g a t l v e a n d d i f f e r e n t i a j c g a l z e r a c a p a c l t a n c e c a u s e d b y t h ep r e s e n c e o fi n a s g a a s s e l f a s s e m b 1 e d q u a n t u m d o t s 2 1 j p n j n e g a t i r e - c a m i e k o在金属氧化物半导体隧 a p p l p l a y s p a c l t a n c e b l a t s u m u r a道二极管中发现了负电 v 0 1 e f f e c ti na n dy u t a k a容现象。低频正向偏压下 3 9 ( 2 0 0 0 ) f o r w a r d b i ah i r o s e的少数载流子型m o s t d 中 p p s e d出现了n c 。 l 1 2 3 - l 1 2 5m e t a lo x i d e p a r t2 n o s e m i c o n d u c t 2 b 1 5o r f e b r u a r y t u n n e l 2 0 0 0d i o d e s 1 2 第二章负电容现象的研究现状 ( m o s t d ) 2 2 a p p l e f f e c to fw z s h e n 此文认为负电容现象源 p h y s a7 2 i n t e r f a c ea g u p e t e r 于界面层的载流子的俘 1 0 7 1 1 ls t a t e so h 获和发射。基于充放电电 ( 2 0 0 1 )n e g a t l y e流和惯性传导电流的模 c a p a c l t a n c e型的数字拟台与实验结 c h a r a c t e r i s 果符合的很好。 t l c s i ng a a s h o m o j u n c t i o f a r - i n f r a r e dd e t e c t o r s 2 3 s y n t h e tn e g a t i r e c h e n 在电解聚乙烯苯胺化合 i cm e t a l s c a p a c l t a n c e w e i c h i h ： 物时发现了负电容现象。 v o l u m e ：i o r可e n 1 2 8 ，i s s u e ：p o l y a n i l i n e t e t r c h i n ： 2 ，a p r i lg o p a l a n ，a 3 0 ，2 0 0 2 ，a n a l y s i sv i a p p 1 7 9 1 8 9 e l e c t r o c h e m m p e d a n c e s p e c t r o s c o p 综上所述我们可以看出截止目前为止，所有的有关负电容研究存在如下几个 重要问题： 1 已有的负电容现象都是指的直接测得的并联模式下的表观电容而未与器 件的实际电参数联系，就半导体二极管来说表观电容与实际的结电容有极 大的区别，二者绝对不能混为一谈。 第二章负电容现象的研究现状 2 已有的有关半导体二极管的工作都未给出通过直接测量的表观参数求出 结电容和器件其他实际参数的方法，甚至一些文章的等效电路图就是经不 起推敲的。 3 近年来，有些作者转向用脉冲瞬态充放电方法测量，但是测出的仍然是表 观电容，且测试误差之大是令人难以接受的。 4 由于缺乏可靠的实验数据的缺证，至今所有的有关负电容的解释都是定性 的，甚至远达不到半定量。由于无法由实验判断真伪，即使有一些初步的 理论工作也难以为继。顺便指出，对于p - n 结的扩散电容情况也是类似的。 因此，不难看出，半导体二极管正向交流测量数据的解读是进一步深入研究 负电容现象的关键所在，这也正是本论文的主要任务。 1 4 第三章对快速傅立叶变换法测量半导体器件电容的讨论 第三章对快速傅立叶变换法测量半导体器件电容的讨论 目前测量二极管电容的方法有三种：1 交流小信号法，2 快速傅立叶变换法， 常简称为f f t 法( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r ma l g o r i t h m ) ，3 电荷增量法。相比 较而言，大多数人还是采用正向交流电压法，本文测量的数据都是采用经过我们 大大改进的正向交流电压法计算。这主要是由于经过改进后此方法不仅可以测量 在不同正向电压下的串联电阻、结电容、结电压和理想化因子，还可以判断一个 真实的二极管有无界面层存在并测量在不同正向电压下其阻抗的数值。测量结果 表明此方法是迅速、灵敏、可靠和易于分析的。我们将在第四章对此方法进行详 细阐述和分析。电荷增量法由于实际测量困难，并且在实际计算中应考虑更多的 器件内部的物理机制等问题而很少被采用，在本文就不做讨论了。因此在本章中， 我们主要讨论快速傅立叶变换法。 3 1 引言 可能是由于采用传统的交流小信号法遭遇到很大的困难，我们注意到近年来 一些文献引入了一种新方法一快速傅立叶变换法( f f t 法) 测量半导体器件电容 3 6 3 9 1 。这些作者采用f f t 方法同样在一些器件中确认了负电容的存在。有的文献 中同时用交流法和f f t 法测量器件的电容特性，发现虽然两种方法测得的电容的 数值有时相去甚远，但是对