CN104020365A - 一种非晶硅薄膜的低频噪声测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非晶硅薄膜的低频噪声测试方法，具体涉及非晶硅薄膜的低频电流噪声测试技术，该测试技术使用的测试系统包括：偏置电路、电磁屏蔽装置、噪声放大系统以及数据采集与处理系统。首先通过偏置电路激发出非晶硅薄膜的低频电流噪声，再通过低噪声电流放大器将样品低频噪声放大，继而通过数据采集卡采集放大后的噪声信号并计算出相应的电流噪声信号功率谱密度，最后利用电脑分析和处理数据，得出非晶硅薄膜低频噪声的功率谱密度曲线。本发明一种非晶硅薄膜的低频噪声测试方法可实现非晶硅薄膜低频噪声的可重复精确测试，方便快捷。

Description

一种非晶硅薄膜的低频噪声测试方法

技术领域

本发明一种非晶硅薄膜的低频噪声测试方法涉及非制冷红外焦平面探测器技术领域，具体涉及非晶硅薄膜的低频电流噪声测试技术。

背景技术

非晶硅薄膜是一种半导体热敏电阻薄膜材料，其电阻随温度升高而降低、电阻温度系数(TCR)较大、薄膜制备与硅半导体工艺具有良好的兼容性，因此被广泛用于微测辐射热计型非制冷红外焦平面探测器。非晶硅薄膜的TCR、电阻率和噪声水平是其影响焦平面器件灵敏度的关键参数，其中，TCR和电阻率容易通过四探针测试仪、台阶仪等常用测试手段进行精确测试，从而为优化非晶硅薄膜工艺提供基础。但是，非晶硅薄膜本身的低频噪声测试，长期以来都是非晶硅薄膜材料电学应用中的一个技术难点。

当给半导体薄膜电阻两端施加偏置电压时，薄膜内部电荷产生定向移动形成电流，该电流平均值符合欧姆定律，但是电流的瞬时值却是随机涨落的。这种涨落是由于薄膜内载流子的随机涨落、薄膜缺陷对载流子的随机俘获、释放过程以及晶界壁垒等对载流子的散射等多种原因导致的。人们将这种电流的瞬时涨落称为电流噪声，通过对电流噪声的测量分析，可研究半导体薄膜样品的缺陷与电学行为的可靠性等。

非晶硅薄膜的噪声(尤其是低频部分)是制约其器件化应用时灵敏度和检测精度的一个关键指标。随着非制冷红外焦平面探测器灵敏度和探测效率的不断提升，检测和控制作为功能敏感薄膜的非晶硅薄膜材料的噪声就显得尤为重要。研究表明，非晶硅薄膜材料的噪声主要有：白噪声(主要为热噪声和散粒噪声)、1/f噪声和g-r噪声。白噪声是一种广泛存在的噪声，存在于任何具有电阻的材料中，不与频率变化发生改变，主要由材料的本征性质决定，代表着电阻性元器件的最小噪声水平。1/f噪声又称闪烁噪声，包括两部分：一种是非基本1/f噪声，由表面载流子数涨落引起，通过改善器件的表面质量可以进行消除；另一种是基本1/f噪声，由迁移率涨落引起，其服从Hooge经验公式

S_V(f)(S_I(f))＝AV(I)^β/f^γ              (1)

式中：S_V(f)、S_I(f)分别是噪声电压和电流功率谱密度；A为材料有关的常数；V、I分别为电阻单元两端所加的偏压和电流；β为指数因子，对于材料均匀的单元β＝2；f为频率；γ为频率指数，通常取1。

g-r噪声主要来源于禁带中部的深能级“产生-复合”中心和缺陷中心。通常g-r噪声可以表示为Lorentz谱的形式，满足公式(2)

$S_I\left(f\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{C_i{\mathrm{\τ}}_i}{1+{\left(2\mathrm{\πf}{\mathrm{\τ}}_i\right)}^2}---\left(2\right)$

式中：m表示深能级的个数；τ_i为g-r噪声的特征时间常数，主要与温度相关；C_i为g-r噪声分量的幅值。

电流噪声的功率谱密度公式如下：

$S\left(f\right)=A+\frac{B}{f^{\mathrm{\γ}}}+\frac{C}{1+{\left(\frac{f}{f^0}\right)}^{\mathrm{\α}}}---\left(3\right)$

等式右边多项式中的三项是由三种噪声成分组成的，其中A为白噪声幅度，B为1/f噪声的幅度，γ为频率指数因子，C为g-r噪声的幅度，f⁰和α分别为g-r噪声转折频率和指数因子。等式左边的S(f)是电流噪声的功率谱密度，其单位是A²H_Z，f是频率。

非晶硅薄膜是一种具有较高电阻温度系数的半导体热敏薄膜，温度变化将导致非晶硅薄膜的电阻发生较大变化，从而引入新的噪声成分。同时，由于非晶硅薄膜的实际噪声水平非常微弱，测试环境的电磁干扰以及机械振动等，都会影响薄膜噪声的测试结果，使得非晶硅薄膜的噪声分析变得非常复杂和困难。显然，在对非晶硅薄膜的噪声进行测试和评价时，在测试环境以及薄膜散热等方面，要有更多的考虑和措施。

本领域传统的噪声测试方法有以下几点不足：

1、忽略了非晶硅薄膜在测试过程中温度的变化对噪声结果带来的影响；

2、电流放大器通过常规电压源供电引入的工频噪声影响；

3、频谱分析仪低采样率下耗时时间长、数据获取速度慢，无法快速有效地采集处理数据，给测试过程带来不便。

综上所述，本发明提出了一种可靠、方便的非晶硅薄膜低频噪声测试方法，对于非晶硅薄膜制备工艺优化、薄膜质量评价以及器件化应用等具有十分重要的意义。

发明内容

本发明解决的技术问题在于克服现有技术的上述不足，提供一种可以尽量减少薄膜以外的额外噪声对测试结果的影响，真实、快速地反映非晶硅薄膜本身的噪声特性非晶硅薄膜的低频噪声测试方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种非晶硅薄膜的低频噪声测试方法，所述方法包括以下步骤：

(1)、将待测的非晶硅薄膜样品固定在陶瓷基板上，再将陶瓷基板固定在导热良好、具有电磁屏蔽功能的金属盒内，通过金丝键合的连接方式将薄膜电极两端的导线从金属盒内引出并接入到偏置电路中，通过镍氢电池对薄膜样品施加偏置电压以激发出样品的电流噪声信号；

(2)、根据需要测试和分析的样品数量，选择要开启的采集通道数，并开启相应通道上的低噪声电流放大器，根据非晶硅薄膜样品电阻值以及施加的样品电压不同，调节低噪声电流放大器的放大倍数并记录，确保放大后的信号幅值在数据采集卡的量程之内，并将整体测试电路用屏蔽箱封闭起来；

(3)、通过数据采集卡将低噪声放大器输出的模拟噪声信号转换为数字信号，并将采集到的噪声信号传输到后端电脑以便进行信号处理；

(4)、分析和处理信号得到相应的噪声功率谱密度曲线，信号处理主要通过电脑基于Labview8.5编写的控制软件，具有噪声信号获取与分析功能，得到相应的噪声功率谱密度曲线；

(5)、利用曲线拟合对噪声功率谱密度曲线进行分析与研究；

其中，通过同轴电缆接口(BNC)实现偏置电路、电流放大器以及采集卡相连接。

进一步的：通过步骤(1)将非晶硅薄膜样品固定在陶瓷基板上，再将陶瓷基板固定在导热良好、具有电磁屏蔽功能的金属盒内，金属盒底部涂有适量均匀的散热硅胶。

更进一步的：步骤(2)中的调节低噪声电流放大器的放大倍数是通过如下方式实现：将低噪声电流放大器的放大倍数从1倍开始逐渐提高，在确保放大后的电压信号没有溢出的前提下，使放大后的信号逐渐增大，并记录最终所调到的放大倍数。

将偏置电路和电流放大器封闭在一个电磁屏蔽箱，从屏蔽箱内部引出一根铜芯线与室外的地网引线相连接；

偏置电路采用镍氢电池供电，低噪声电流放大器采用内部电池供电。

步骤(4)包括在数据采集控制面板上输入样品电压的步骤。

步骤(4)还包括记录的放大倍数，设置采样率和采样数，分析处理，得到相应的噪声功率谱密度曲线。

步骤(5)所述曲线拟合是根据样品噪声的功率谱密度公式对功率谱密度曲线进行曲线拟合，得出参数A、B、C、γ、α、f⁰的值。

与现有技术相比，本发明一种非晶硅薄膜的低频噪声测试方法的有益效果是：

1、将待测试的非晶硅薄膜样品固定在陶瓷基板上，再将陶瓷基板固定在导热良好的金属盒内，在陶瓷基板与金属盒接触面附近涂抹适量均匀的散热硅胶，以保证测试过程中非晶硅薄膜样品的温度稳定性，降低非晶硅薄膜因自加热效应带来的额外噪声影响；

2、通过金丝键合的方式将非晶硅薄膜电极引出与偏置电路相连接，减少接触噪声；

3、偏置电路采用镍氢电池供电，选用的低噪声电流放大器SR570采用内部电池供电，以降低系统的本底噪声以及工频噪声影响；

4、整个测试电路之间连接线均采用同轴电缆来屏蔽环境电磁干扰；

5、非晶硅薄膜样品放置在金属屏蔽盒中，整个测试电路(不包括采集卡)封闭在一个金属屏蔽箱内，形成双层屏蔽，以屏蔽周围环境中的电磁干扰；同时减少人为走动带来的气流扰动、避免数据采集工作时间不当等外部因素对测试结果的影响；

6、金属屏蔽箱本体引出一根铜芯线与室外地网引线相连接，确保屏蔽箱以及内部测试电路完全电学接地，降低空间电磁场的干扰；

7、采用多通道数据采集卡，相比于频谱分析仪能更方便、更快速地采集噪声信号，并且数据分析可以通过软件操控，提升了工作效率。

附图说明

图1为一种非晶硅薄膜的低频噪声测试方法的流程图；

图2为一种非晶硅薄膜的低频噪声测试方法的系统框图；

图3为Labview软件控制面板图；

图4为实施例1非晶硅薄膜样品噪声功率密度谱图；

图5为实施例2非晶硅薄膜样品噪声功率密度谱图；

图6为实施例3非晶硅薄膜样品噪声功率密度谱图。

具体实施方式

下面结合附图1-6和具体实施方式对本发明一种非晶硅薄膜的低频噪声测试方法作进一步的说明。

本发明一种非晶硅薄膜的低频噪声测试方法的实施方式不限于以下实施例，在不脱离本发明宗旨的前提下做出的各种变化均属于本发明的保护范围之内。

本发明一种非晶硅薄膜的低频噪声测试方法，所述方法包括以下步骤：

(1)、将待测的非晶硅薄膜样品固定在含有散热性良好材料的金属盒中，通过金丝键合将薄膜电极两端的导线引出并接入到偏置电路中，偏置电路对非晶硅薄膜样品施加偏置电压以激发出样品的电流噪声信号；(2)、根据需要测试和分析的样品数量，选择要开启的采集通道数，并开启相应通道上的低噪声电流放大器，根据非晶硅薄膜样品电阻值以及施加的样品电压不同，调节低噪声电流放大器的放大倍数并记录，确保放大后的信号幅值在数据采集卡的量程之内，并将整体测试电路用屏蔽箱封闭起来；(3)、通过数据采集卡将低噪声放大器输出的模拟噪声信号转换为数字信号，并将采集到的噪声信号传输到后端电脑以便进行信号处理；(4)、分析和处理信号得到相应的噪声功率谱密度曲线；(5)、利用曲线拟合对噪声功率谱密度曲线进行分析。步骤(1)将非晶硅薄膜样品固定在陶瓷基板上，再将陶瓷基板固定在导热良好、具有电磁屏蔽功能的金属盒内，金属盒底部涂有适量均匀的散热硅胶。步骤(2)中的调节低噪声电流放大器的放大倍数是通过如下方式实现：将低噪声电流放大器的放大倍数从1倍开始逐渐提高，在确保放大后的电压信号没有溢出的前提下，使放大后的信号逐渐增大，并记录最终所调到的放大倍数。将偏置电路和电流放大器封闭在一个电磁屏蔽箱，从屏蔽箱内部引出一根铜芯线与室外的地网引线相连接。偏置电路采用镍氢电池供电，低噪声电流放大器采用内部电池供电。步骤(4)包括在数据采集控制面板上输入样品电压的步骤。步骤(4)包括记录的放大倍数，设置采样率和采样数，分析处理，得到相应的噪声功率谱密度曲线。步骤(5)所述曲线拟合是根据样品噪声的功率谱密度公式对功率谱密度曲线进行曲线拟合，得出参数A、B、C、γ、α、f0的值。

具体实施例如下：

实施例1

为使本发明一种非晶硅薄膜的低频噪声测试方法的目的、技术方案更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

实施例对象：5％P掺杂的氢化非晶硅薄膜；

实施例条件：在室温300K条件下，对非晶硅薄膜样品两端施加测试电压7V，电流放大器倍数为50nA/V；

具体流程如下：

步骤1：将待测的非晶硅薄膜放入金属盒中并固定好，将引出的导线连入电路中，对非晶硅薄膜样品施加7V的直流电压，用以激发出非晶硅薄膜的电流噪声信号；

步骤2：通过同轴电缆接口连接好偏置电路、电流放大器与数据采集卡，打开Labview测试软件和放大器，调节电流放大器的放大倍数，在确保放大器输入电流以及放大后的输出电压都在放大器量程之内的条件下，使放大后的信号逐渐增大，记录最终所调到的放大倍数；

步骤3：确定好放大倍数后，在Labview测试软件控制面板上设置当前测试样品的电压、放大倍数、采样率以及采样数，功率谱密度测试的平均次数设置为10，参数设置完毕后运行软件，通过软件实现时域信号采集和时域信号傅里叶变化同步进行，得到电流噪声信号的功率谱密度；

步骤4：根据样品噪声的功率谱密度公式对所得的功率谱密度曲线进行曲线拟合，得出对应参数的值。

实施例2

为使本发明一种非晶硅薄膜的低频噪声测试方法的目的、技术方案更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

实施例对象：1％Ru(钌)掺的非晶硅薄膜,并且经过700℃退火处理；

实施例条件：室温条件下，样品电压10V,.放大倍数为50nA/V；

具体流程如下：

步骤1：将待测的非晶硅薄膜放入金属盒中并固定好，将引出的导线连入电路中，对非晶硅薄膜样品施加10V的直流电压，用以激发出非晶硅薄膜的电流噪声信号；

步骤2：通过同轴电缆接口连接好偏置电路、电流放大器与数据采集卡，打开Labview测试软件和放大器，调节电流放大器的放大倍数，在确保放大器输入电流以及放大后的输出电压都在放大器量程之内的条件下，使放大后的信号逐渐增大，记录最终所调到的放大倍数；

步骤3：确定好放大倍数后，在Labview测试软件控制面板上设置当前测试样品的电压、放大倍数、采样率以及采样数，功率谱密度测试的平均次数设置为10，参数设置完毕后运行软件，通过软件实现时域信号采集和时域信号傅里叶变化同步进行，得到电流噪声信号的功率谱密度；

步骤4：根据样品噪声的功率谱密度公式对所得的功率谱密度曲线进行曲线拟合，得出对应参数的值。

实施例3

为使本发明一种非晶硅薄膜的低频噪声测试方法的目的、技术方案更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

实施例对象：6％Ru(钌)掺的非晶硅薄膜,并且经过700℃退火处理；

实施例条件：室温条件下，样品电压15V，放大倍数为100nA/V；

具体流程如下：

步骤1：将待测的非晶硅薄膜放入金属盒中并固定好，将引出的导线连入电路中，对非晶硅薄膜样品施加15V的直流电压，用以激发出非晶硅薄膜的电流噪声信号；

步骤2：通过同轴电缆接口连接好偏置电路、电流放大器与数据采集卡，打开Labview测试软件和放大器，调节电流放大器的放大倍数，在确保放大器输入电流以及放大后的输出电压都在放大器量程之内的条件下，使放大后的信号逐渐增大，记录最终所调到的放大倍数；

步骤3：确定好放大倍数后，在Labview测试软件控制面板上设置当前测试样品的电压、放大倍数、采样率以及采样数，功率谱密度测试的平均次数设置为10，参数设置完毕后运行软件，通过软件实现时域信号采集和时域信号傅里叶变化同步进行，得到电流噪声信号的功率谱密度；

步骤4：根据样品噪声的功率谱密度公式对所得的功率谱密度曲线进行曲线拟合，得出对应参数的值。

以上仅是本发明众多具体应用范围中的代表性实施例，可进行各种修改和改变。

本发明一种非晶硅薄膜的低频噪声测试方法并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种非晶硅薄膜的低频噪声测试方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

(1)、将待测的非晶硅薄膜样品固定在含有散热性良好材料的金属盒中，通过金丝键合将薄膜电极两端的导线引出并接入到偏置电路中，偏置电路对非晶硅薄膜样品施加偏置电压以激发出样品的电流噪声信号；

(2)、根据需要测试和分析的样品数量，选择要开启的采集通道数，并开启相应通道上的低噪声电流放大器，根据非晶硅薄膜样品电阻值以及施加的样品电压不同，调节低噪声电流放大器的放大倍数并记录，确保放大后的信号幅值在数据采集卡的量程之内；

(3)、通过数据采集卡将低噪声放大器输出的模拟噪声信号转换为数字信号，并将采集到的噪声信号传输到后端电脑以便进行信号处理；

(4)、分析和处理信号得到相应的噪声功率谱密度曲线；

(5)、利用曲线拟合对噪声功率谱密度曲线进行分析。

2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：步骤(1)将非晶硅薄膜样品固定在陶瓷基板上，再将陶瓷基板固定在导热良好、具有电磁屏蔽功能的金属盒内，金属盒底部涂有适量均匀的散热硅胶。

3.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：步骤(2)中的调节低噪声电流放大器的放大倍数是通过如下方式实现：将低噪声电流放大器的放大倍数从1倍开始逐渐提高，在确保放大后的电压信号没有溢出的前提下，使放大后的信号逐渐增大，并记录最终所调到的放大倍数。

4.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：将偏置电路和电流放大器封闭在一个电磁屏蔽箱，从屏蔽箱内部引出一根铜芯线与室外的地网引线相连接。

5.根据权利要求1或3所述的测试方法，其特征在于：偏置电路采用镍氢电池供电，低噪声电流放大器采用内部电池供电。

6.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：步骤(4)还包括在数据采集控制面板上输入样品电压的步骤。

7.根据权利要求1或3所述的测试方法，其特征在于：步骤(4)还包括记录的放大倍数，设置采样率和采样数，分析处理，得到相应的噪声功率谱密度曲线。

8.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：步骤(5)所述曲线拟合是根据样品噪声的功率谱密度公式对功率谱密度曲线进行曲线拟合，得出参数A、B、C、γ、α、f⁰的值。