CN109031059B - 一种新型碳化硅雪崩二极管阵列良率及击穿电压测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型碳化硅雪崩二极管阵列良率及击穿电压测试方法，包括：随机选取新型碳化硅雪崩二极管阵列中两个以上的器件测试I‑V特性，得到击穿电压平均值V_b；取1.1V_b作为测试最高电压，对新型碳化硅雪崩二极管阵列中单个器件上加偏置电压，并逐渐增加偏压到测试最高电压；以电流大小分别为10^‑7A和10^‑6A作为击穿点和限流点，初步判断器件是否可用；在单个器件上加偏置电压，判断器件是否因高压测试而损坏。本发明减小了SiC基APD阵列测试周期，提高了测试SiC基APD击穿电压的精度，提高了阵列内器件工作的一致性，降低了测试对器件造成的损伤，提高了测试人员的安全性。

Description

一种新型碳化硅雪崩二极管阵列良率及击穿电压测试方法

技术领域

本发明涉及一种新型碳化硅雪崩二极管阵列良率及击穿电压测试方法，属于碳化硅雪崩二极管领域。

背景技术

作为第三代宽禁带半导体材料的代表之一，碳化硅(SiC)由于其禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、化学稳定性好等优点，在紫外探测器的制备上具有很明显的材料优势。SiC材料制备技术相对成熟，微观缺陷低，且具有多种结构类型，其中4H-SiC的禁带宽度最大，为3.26eV，对应截止波长为380nm，故4H-SiC具有可见光盲特性。目前来说，很多新兴应用领域，比如导弹尾焰预警和监测、高压电网的电晕电弧检测成像、生物监测、量子通讯、医学影像处理等，对于微弱的紫外信号快速测量才是真正的需求所在，而SiC基APD(雪崩光电二极管)是唯一能够实现高量子效率，低暗电流，低过载噪声，可见光盲，微弱紫外光探测的半导体光电二极管。

要实现微弱紫外光探测，SiC基APD必须工作在一定的反向偏置电压下，这个偏置电压需要大于器件的击穿电压，使器件工作在盖革模式下，此时如果有微弱紫外光入射，光生载流子诱发碰撞电离，器件场区内电子空穴的碰撞离化速率大于电极对载流子的抽取速率，场区的自由载流子随时间呈指数增加，最后由于器件内串联电阻的负反馈作用，自由载流子的产生与抽取达到平衡，雪崩电流达到稳定状态，从而实现紫外光的探测。故APD器件需要准确知道其击穿电压，并加上一大于击穿电压的反向偏置电压，才有可能实现微弱紫外光探测。

SiC基APD在紫外探测上的一个重要发展方向是紫外探测成像。探测成像的基础是一致性好的高灵敏度探测阵列。传统的Si基器件工艺相对成熟，材料均匀可靠，所制备出的硅基器件阵列的雪崩电压一致，读出电路设计只需加上统一的偏置电压。而对于SiC基器件来说，由于生长材料的不均匀性，外延生长厚度不一致性，以及材料内部缺陷分布等问题，SiC基APD阵列内各个器件的击穿电压会有一定的差异，相邻器件之间的雪崩电压差最大可达到0.3V，以测试用的SiC基APD阵列为例，4*8阵列首尾器件的击穿电压差异可能会达到2-3V。为了使阵列内的所有器件都工作在同一状态下，在SiC基APD阵列应用于探测之前需要对其进行检测，判断其是否达到可用要求，并得到其准确的击穿电压。依据击穿电压来设定读出电路对各个器件的偏压，使整个阵列中各个像元具有相近的增益，具有探测灵敏度和增益上的一致性。

传统的APD阵列检测是利用探针台对器件逐个进行IV曲线测量，再人工判断器件是否符合应用要求，当APD阵列足够大时，这种测试方法暴露出其局限性：逐个测试导致阵列测试周期过长，没有一致的击穿判断标准导致得到的击穿电压精度不够，且手动逐个对器件进行探针测试导致安全性不足。

发明内容

本发明提出了一种新型碳化硅雪崩二极管阵列良率及击穿电压测试方法，目的是解决传统的SiC基APD阵列测试中测试时间长、击穿电压精度不够等问题，进一步还解决了手动测试安全性不足等问题。

为解决上述技术问题，本发明提出了如下的技术方案：

一种新型碳化硅雪崩二极管阵列良率及击穿电压测试方法，包括如下步骤：

1)随机选取新型碳化硅雪崩二极管阵列中两个以上的器件测试I-V特性，分别得到每个被测器件的击穿电压，再计算得到击穿电压平均值V_b；

2)取击穿电压平均值V_b的1.1倍作为测试最高电压，对新型碳化硅雪崩二极管阵列中单个器件上加偏置电压，并逐渐增加偏压到测试最高电压；

3)以电流大小分别为10^-7A和10^-6A作为击穿点和限流点，在加压测试过程中电流达到10^-7A，此时达到击穿电压V_b；若在测试最高电压下仍未达到击穿电压对应的电流点10^{- 7}A，则判断器件无法击穿，器件不可用，若在小于等于测试最高电压下达到击穿电压对应的电流点10^-7A，进入下一步测试；

4)在单个器件上加0-V_b不为零的偏置电压，若电流值小于限流值10^-6A，则器件正常可用；若电流值大于限流值10^-6A，则器件因高压测试而损坏，不可用。

上述取测试电压范围为(0-1.1V_b)，目的是防止测试偏压过高导致器件损坏。

在单个器件测试完击穿电压点和限流点后，步骤4)增加一个低电压测试点，用来判断高测试电压是否对器件造成损坏。

本申请测试所用设备为现有的探针台。

作为非常成熟的现有技术，新型碳化硅雪崩二极管阵列是由多个器件(SiC基APD器件)排列形成。

步骤1)中的击穿电压平均值Vb可视为被测器件的击穿电压的平均值。

为了完成自动检测，步骤1)和步骤2)之间还包括如下步骤：将新型碳化硅雪崩二极管阵列大小、器件间距、击穿电压平均值V_b、击穿电流值、限流点电流值和对器件测试时的升压速率输入探针台，手动将探针对准器件坐标(0,0)的器件电极上，点击开始测试，探针台对阵列内的器件自动依次检测。

上述方法自动依次对阵列内的SiC基APD器件进行测试，通过设置的电流监测点来判断器件良好与否，并返回准确的击穿电压值。

在单个器件完成测试后，测试探针自动抬起，根据器件阵列内器件间距，自动平移到下一个器件测试点进行下一个器件测试，并按照此步骤完成整个阵列测试。

为了提高测试的准确性，步骤1)中，随机选取新型碳化硅雪崩二极管阵列中三个以上的器件测试I-V特性。

为了兼顾测试准确性和测试效率，步骤1)中，随机选取新型碳化硅雪崩二极管阵列中三个器件测试I-V特性。

步骤1)中，以电流达到10^-7A为标准作为每个被侧器件的击穿电压。

为了兼顾测试准确性和测试效率，步骤2)中，当偏置电压不大于180V时，偏置电压逐渐增加的速率为5-10V/次，当偏置电压大于180V时，偏置电压逐渐增加的速率为0.1-0.2V/次。

步骤3)中，达到击穿电压点后，在最高电压1.1V_b之前电流达到10^-6A，此时达到限流点，提前终止电压测试。这样可以防止器件因偏压过高而损坏。在对单个像元器件进行电流-电压特性测试过程中，设置两个电流监控点：击穿电压点和限流点，并在达到限流点时停止继续增加测试电压。

步骤3)中，若在最高电压时仍未达到限流点10^-6A，器件继续进行下一步测试；

优选，步骤4)中，在单个器件上加0.1V_b-V_b的偏置电压。

本发明未提及的技术均参照现有技术。

本发明的有益效果如下：1、对于阵列内的每一个器件，通过对其击穿点和限流点的判断，能够有效的判断器件是否可用和击穿电压，有统一的击穿点和限流点的电流判断标准，使阵列内的APD器件的测试标准保持一致，测试精度有效提高；2、通过对器件测试设置了限流值，使得器件不会工作在过大的电压下，保证了器件的安全，同时自动测试让人和高压远离，保证了测试人员的安全；3、利用测试平台对SiC基APD阵列的测试自动地进行，只需要设置器件的偏置电压序列、以及击穿和限流点，就可以自动的测试完整个阵列，极大地缩短了阵列的测试时间。

附图说明

图1是实施例中阵列测试示意图；图中，1为阵列器件衬底，对应器件的背电极，测试中接地，2为阵列器件正面环状电极，从环状电极上引出附图标记为3的金属电极Pad，4为探针，探针接触金属电极加入测试电压，完成单个器件测试后，探针自动抬起向下一个器件移动，完成单行器件测试后，探针自动抬起向下一行的第一个器件移动；

图2是本发明测试流程图；在探针台程序中输入阵列大小、器件间距、击穿电压点、限流点对应的电流值及对器件测试时的升压速率后，探针台自动开始测试，经过三个条件判断器件的功能是否正常，最后返回阵列内各个器件的击穿电压，完成测试；

图3是实施例中阵列内单个器件测试得到的IV曲线，I₁为击穿电压点，I₂为限流点。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案和效果更易理解，下面结合实施例，并参照附图，进一步阐明本发明的内容，但本发明不局限于以下实施例。

如图1所示的4*8阵列内为典型的小倾角半台面的SiC基APD器件，为了测试此器件阵列，首先在探针台上设置阵列大小为4*8，器件间距为δx＝100um，δy＝200um，即横向相邻器件正电极间距为100um，纵向相邻器件正电极间距为200um，击穿电压点的电流值为I₁＝10^-7A，限流点的电流值为I₂＝10^-6A，手动将探针对准器件坐标(0,0)的器件电极上，点击开始测试。

探针台按照图2的流程图开始自动测试：首先随机选取三个器件测试IV曲线，器件正常则取平均击穿电压值的1.1倍作为测试电压的最高值，即测试电压范围为(0-1.1V_b)，将此范围及对器件测试时的升压速率(当偏置电压不大于180V时，偏置电压逐渐增加的速率为5V/次，当偏置电压大于180V时，偏置电压逐渐增加的速率为0.1V/次)输入探针台。对起始器件(0,0)加载电压，同时记录I-V曲线，若电压范围测完，电流仍小于击穿电流I₁＝10^-7A，即没有达到击穿电压点V_b，说明器件无法击穿，不可用；若能达到击穿电流I₁＝10^-7A，判断器件能够发生击穿，记录击穿电压值V_b，继续进行电压测试，若在电压范围测完之前提前达到限流点，则停止电压测试，防止因过高偏压导致器件损坏，进入下一步测试，若达到测试电压最高点时仍未达到限流点，器件保留，进行下一步测试。电压范围(0-1.1V_b)测试后，再对器件加上一较低偏压，范围在(0.1V_b-V_b)(此范围内的任意值都可以)，若电流值小于限流值I₂＝10^-6A，则判断器件正常可用；若电流值大于限流值I₂＝10^-6A，则判断器件因高压测试而损坏，不可用。此时第一个器件测试完成，探针抬起移动到下一个器件(0,1)器件继续下一个器件测试，按照上述测试流程重复测试到最后一个器件(3,7)器件，探针自动抬起，测试完成，并返回4*8阵列内32个器件的击穿电压。

下表1是测试得到的4*8阵列内32个器件的击穿电压值，单位为V，根据此值可以对SiC基APD器件的读出电路做功能一致性的调试。此外还能得到阵列内各个器件的I-V数据，如图3。

表1实施例中阵列测试完成返回的击穿电压表格；

(0,0)	(0,1)	(0,2)	(0,3)	(0,4)	(0,5)	(0,6)	(0,7)
								185.1	185.2	185.2	FALSE	185.3	185.2	185.3	185.4
(1,0)	(1,1)	(1,2)	(1,3)	(1,4)	(1,5)	(1,6)	(1,7)
								185.4	185.4	185.3	185.3	185.4	185.4	185.6	185.6
(2,0)	(2,1)	(2,2)	(2,3)	(2,4)	(2,5)	(2,6)	(2,7)
								185.6	185.2	185.3	185.4	FALSE	185.7	185.7	185.8
(3,0)	(3,1)	(3,2)	(3,3)	(3,4)	(3,5)	(3,6)	(3,7)
								186.1	186.3	186.5	186.5	186.5	186.6	186.8	186.8

表中，编号(0,0)到(3,7)分别对应阵列内32个器件的坐标，坐标正下方的数据为击穿电压，单位为V，若器件不可用，则直接返回“FALSE(错误)”。

Claims (6)

1.一种新型碳化硅雪崩二极管阵列良率及击穿电压测试方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)随机选取新型碳化硅雪崩二极管阵列中两个以上的器件测试I-V特性，分别得到每个被测器件的击穿电压，再计算得到击穿电压平均值V_b；

2)取击穿电压平均值V_b的1.1倍作为测试最高电压，对新型碳化硅雪崩二极管阵列中单个器件上加偏置电压，并逐渐增加偏压到测试最高电压；

3)以电流大小分别为10^-7A和10^-6A作为击穿点和限流点，在加压测试过程中电流达到10^-7A，此时达到击穿电压V_b；若在测试最高电压下仍未达到击穿电压对应的电流点10^-7A，则判断器件无法击穿，器件不可用，若在小于等于测试最高电压下达到击穿电压对应的电流点10^-7A，进入下一步测试；达到击穿电压点后，在最高电压1.1V_b之前电流达到10^-6A，此时达到限流点，提前终止电压测试，进入下一步测试；若在最高电压时仍未达到限流点10^-6A，器件继续进行下一步测试；

4)在单个器件上加0.1V_b-V_b的偏置电压，若电流值小于限流值10^-6A，则器件正常可用；若电流值大于限流值10^-6A，则器件因高压测试而损坏，不可用。

2.如权利要求1所述的新型碳化硅雪崩二极管阵列良率及击穿电压测试方法，其特征在于：步骤1)和步骤2)之间还包括如下步骤：将新型碳化硅雪崩二极管阵列大小、器件间距、击穿电压平均值V_b、击穿电流值、限流点电流值和对器件测试时的升压速率输入探针台，手动将探针对准器件坐标(0,0)的器件电极上，点击开始测试，探针台对阵列内的器件自动依次检测。

3.如权利要求1或2所述的新型碳化硅雪崩二极管阵列良率及击穿电压测试方法，其特征在于：步骤1)中，随机选取新型碳化硅雪崩二极管阵列中三个以上的器件测试I-V特性。

4.如权利要求3所述的新型碳化硅雪崩二极管阵列良率及击穿电压测试方法，其特征在于：步骤1)中，随机选取新型碳化硅雪崩二极管阵列中三个器件测试I-V特性。

5.如权利要求1或2所述的新型碳化硅雪崩二极管阵列良率及击穿电压测试方法，其特征在于：步骤1)中，以电流达到10^-7A为标准作为每个被测器件的击穿电压。

6.如权利要求1或2所述的新型碳化硅雪崩二极管阵列良率及击穿电压测试方法，其特征在于：步骤2)中，当偏置电压不大于180V时，偏置电压逐渐增加的速率为5-10V/次，当偏置电压大于180V时，偏置电压逐渐增加的速率为0.1-0.2V/次。

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