电子材料与器件散粒噪声测试方法技术

本发明专利技术公开了一种电子材料与器件散粒噪声测试方法，解决现有散粒噪声测试方法准确性及可靠性差的问题。整个测试系统包括：低温装置、放大系统和数据采集与处理系统。其测试过程为：测试系统背景噪声Ｓ↓［ｃ］和被测样品电导Ｇ，确定被测样品的最小电流Ｉ及最高温度Ｔ；根据最小电流Ｉ及被测样品相关噪声测试标准优选ｍ个测试电流点；将被测样品置于低温装置内的屏蔽样品室，选取ｍ个测试电流点中最大电流值Ｉ′↓［ｍａｘ］作为工作电流，进行样品噪声初测；计算１／ｆ噪声转折频率ｆ↓［Ｃ］，确定放大系统和数据采集与处理系统相关参数；分别在ｍ个测试电流点测试被测样品噪声时间序列和频谱，得到散粒噪声测试结果并生成测试报告。本发明专利技术具有测试精度、准确性高和测试系统灵活的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电子测试测量
，涉及散粒噪声测试方法，用于对电子材料、元 器件、半导体集成电路、量子效应器件、介观电子器件及纳米结构与器件的散粒噪声测试。
技术介绍
1. 电子材料及器件散粒噪声随着电子器件朝着高性能、小尺寸和长寿命方向发展，传统的寿命试验可靠性评价 方法的局限性日益显著。近年来大量的研究结果表明，噪声是导致大多数电子器件失效 的各种潜在缺陷的敏感反映，噪声检测方法以其灵敏、普适、快速和非破坏性的突出优 点，正在发展成为一种新型的电子器件可靠性表征工具。噪声测试成为电子科学和技术 中重要的研究领域。从噪声的功率谱密度特征看，电子器件的噪声通常包括白噪声，1/f噪声和g-r噪声三种分量，艮口+ 4 + (1) / 1 + (+) 其中，A为白噪声幅度，B为l/f噪声的幅度，Y为频率指数因子，C为g-r噪声的 幅度、f。和a分别为g-r噪声转折频率和指数因子。1/f噪声及g-r噪声主要是由器件 处于偏置时内部缺陷引起的，而白噪声主要由两部分组成(1)载流子随机热运动而在 器件或电路两端产生的电压涨落，这种电压涨落不会因偏置条件改变而变化，仅是温度 的函数，即为通常所说的热噪声。(2)器件或电路中电子离散性的表现，故称为散粒噪 声，也称量子噪声。由于电子电量值很小，因而散粒噪声仅在特定条件下才得以表现。 热噪声及散粒噪声的频谱均属于白噪声特性，因而其幅值都包含在A中。为了抑制 和应用电噪声，必须检测和分析各种噪声。2. 散粒噪声的应用与1/f噪声和g-r噪声相同，散粒噪声也可用于电子作用机制与可靠性的无损表征研 究。比如MOS电容的散粒噪声在SILCs (Stressed-induced leakage currents)效应前后发生了幅值变化；超薄栅氧化层隧穿电流出现的超散粒噪声，是由于氧化层陷阱的存在引 入了区域势阱，它与共振隧穿器件的超散粒噪声具有相同的起源。近年来，随着纳米科 技的发展，在介观系统和结构中，人们发现散粒噪声在量子信息表征方面具有重要应用 潜力和前景。与电导相比，散粒噪声能够提供更多的介观输运与量子效应信息。通过一 些较为简单的实验，国外学者利用散粒噪声提取纳米器件和结构中的量子效应信息，比 如，利用散粒噪声探测开放通道、测量准粒子电荷、辨别量子腔体中的波动性与粒子性 等。其中，准粒子电荷测量证实了超导体中的有效传导电荷的确是库泊电子对。此外， 有关散粒噪声应用的诸多独创性构思也纷纷出现，比如，探测电子的纠缠态、注入弹道 导体电子的能量分布以及自旋极化与相干。以上的应用对散粒噪声测试技术提出了更多的要求。散粒噪声测量技术的进步和标 准化有利于这些应用的实现，这些应用的实现将会推动量子效应表征、量子计算、量子 通信以及自旋电子学的发展。此外，散粒噪声的测试技术将给全计数统计学提供电子介 观输运的研究内容，将全计数统计学应用于散粒噪声时间序列分析将会得到更多的量子 效应信息，从而促进量子效应表征技术的进步。3.现有散粒噪声测试方法目前还没有专门针对散粒噪声测试的技术，现行测试方法主要是采用通用仪器搭 建。其主要部分包括液氮或液氦杜瓦瓶、常规放大器、频谱分析仪和数字示波器等。 由装有液氮或液氦的杜瓦瓶为被测器件提供低温环境，将被测样品的噪声通过常规放大 器进行放大，分别使用数字示波器和频谱分析仪分析噪声时间序列和频谱，系统结构见 图1。现行这种测试方法存在诸多问题(1) 通常的液氮杜瓦装置主要是应用于生物、医学等方面，还没有专门针对电子 材料和器件的样品室。使用通常的液氮杜瓦装置存在诸多不足，首先，不能较好地去除 外界电磁干扰；其次不能确保温度的稳定性及温度测试的准确性，同时也不便于样品的 安装放置。(2) 常规放大器的噪声、带宽及增益指标往往不能达到散粒噪声测试的要求。比 如，典型的常规放大器噪声指标为10"F/V^(gl^fe，带宽指标为lM/fe，增益在lx106以内。放大器带宽越大其增益越小，如射频放大器带宽可达上GHz，但其增益只有几十 甚至几倍，同时噪声指标随增益增大也有所恶化。由散粒噪声的特性可知，散粒噪声具 有噪声功率谱密度小且频率范围宽等特点，噪声功率谱密度约在几wF/V^数量级。这就要求放大器必须具有更低的噪声，更高带宽和增益，所以只使用常规放大器并不适合 散粒噪声的测试。(3)数字频谱分析仪和数字示波器测试精度较低，功能有限且费用昂贵。若要完 全满足各类器件和电路的散粒噪声测试要求，则需要更大带宽的此类仪器，这将进一步 增加测试费用，并且此类仪器功能单一，适用性和可升级性差。目前，噪声测试技术处 在不断的发展之中，系统的不断升级换代是不可避免的，而采用这种方式时，系统的功 能扩展往往受到系统硬件的限制，二次自主开发能力差。基于上述原因可以看出通用噪声测试方法应用于散粒噪声测试的系统搭建费用 高，费效比低，可维护性差，不能满足散粒噪声测试的准确性、可靠性和有效性要求。 同时现行测试方法没有科学严谨的规范，测量得到的散粒噪声混有其他噪声成分，因此 如何准确测量和提取散粒噪声成为该领域一个瓶颈。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有方法的不足，提出一种电子材料与器件散粒噪声测 试方法，以满足散粒噪声测试的准确性、可靠性和有效性要求。实现本专利技术目的的技术方案是，搭建测试系统，并用该测试系统进行散粒噪声的测 量。其中，测试系统包括低温装置、放大系统和数据采集与处理系统，放大系统的输 入输出分别与低温装置和数据采集与处理系统相连接，其特征在于，低温装置采用液氮 或液氦装置；放大系统采用专用的低噪声前置放大器和通用放大器构成的两级放大结 构；数据采集与处理系统采用数据釆集卡及专用散粒噪声测试分析软件。所述的测试的系统，其中低温装置内装有屏蔽样品室，样品室于低温装置外壳构成 双层屏蔽结构，以进一步抑制外部噪声干扰。本专利技术的测试方法，包括如下步骤-(1) 测试系统背景噪声和被测样品的电导值，通过热噪声与散粒噪声公式联立求 解，确定被测样品的最小电流I和最高温度'T;(2) 将被测样品放置于低温装置内的屏蔽环境下，根据所确定的最小电流和最高 温度，设置被测样品的工作电流/'0)及测试温度r',选取低温装置，"=1,2，3...;(3) 根据设置的样品工作电流/'(")，测试温度r'及低温装置对被测样品噪声特性进行初步测试，得到噪声功率谱密度S(/);(4) 根据电子器件噪声功率谱密度公式，计算l/f噪声转折频率/e，分别设置低 噪声放大器的频率带宽和增益，以及数据采集与处理系统的采样频率和采样点数，使数据采集卡能够采集到散粒噪声；(5) 通过数据采集与处理系统进行噪声信号时间序列采集和频谱转换，得到被测 样品散粒噪声的时间序列图和频谱(6) 打印测试报告。 本专利技术与现有的散粒噪声测试方法相比，具有以下优点-1. 本专利技术由于采用的低温装置和屏蔽样品室构成的双层屏蔽结构，可进一步抑制外 界电磁干扰，同时利用专用的低温装置能够实现温度的准确控制和实时测量；2. 本专利技术由于采用低噪声放大器及通用放大器组成的两级放大系统，扩展了通用放 大器的性能，使放大系统不仅具有极低背景噪声，而且充分满足散粒噪声测试对增益和 带宽的要求；3. 本专利技术由于使用专用散粒噪声分析软件本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电子材料与器件散粒噪声测试方法，包括如下步骤：　（１）测试系统背景噪声和被测样品的电导值，通过热噪声与散粒噪声公式联立求解，确定被测样品的最小电流Ｉ和最高温度Ｔ；　（２）根据所确定的最小电流和最高温度，设置被测样品的工作电流 Ｉ′（ｎ）及测试温度Ｔ′，选取低温装置，ｎ＝１，２，３…，将被测样品放置于所选取的低温装置屏蔽环境内；　（３）根据设置的样品工作电流Ｉ′（ｎ），测试温度Ｔ′及低温装置对被测样品噪声特性进行初步测试，得到噪声功率谱密度Ｓ（ｆ）；　 （４）根据电子器件噪声功率谱密度公式，计算１／ｆ噪声转折频率ｆ↓［Ｃ］，分别设置低噪声放大器的频率带宽和增益，以及数据采集与处理系统的采样频率和采样点数，使数据采集卡能够采集到散粒噪声；　（５）通过数据采集与处理系统进行噪声信号时间序 列采集和频谱转换，得到被测样品散粒噪声的时间序列图和频谱图；　（６）打印测试报告。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杜磊，陈文豪，庄弈琪，包军林，郑磊，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]