Кристаллические материалы – основа современной электроники и оптоэлектроники. Их электрические свойства, например, (анизотропная) проводимость и фотопроводимость, а также температурная зависимость этих свойств, представляют большой интерес для исследователей. Выращенные различными методами кристаллы могут иметь малые размеры и зачастую обладают очень высоким сопротивлением.
В нашей статье мы расскажем, как измерять сопротивления вплоть до 10^17 Ом в специально спроектированной измерительной камере, а также в системе осаждения молекулярным пучком (MBD), позволяющей проводить in-situ измерения в процессе роста кристалла или пленки.
Описание испытаний
Величина напряжения, которое можно приложить к малым кристаллам (менее 1 мм), ограничена электрическим пробоем воздуха между контактирующими электродами при электрическом поле примерно 1 кВ/мм. Однако существует два способа измерять такие кристаллы при более высоких напряжениях:
1) проводить измерения в условиях высокого вакуума (давление ниже 10^–4 мбар);
2) использовать инертный газ с более высоким порогом пробоя (например, SF6 - гексафторид серы) при небольшом избыточном давлении (1–2 бара).
Преимущество высокого вакуума в том, что фактически отсутствует предел пробоя. Однако при использовании инертного газа гораздо проще контролировать температуру образца по сравнению с измерениями в высоком вакууме, где для теплообмена отсутствует газовая среда.
Конфигурации измерительной системы
В качестве измерительного прибора для этих экспериментов была выбрана система измерения высоких сопротивлений Techmize TH2690. Она обладает чувствительностью на уровне фемтоампер и содержит встроенный программируемый источник на 1000 В. Малошумящие триаксиальные кабели соединяют электрометр с измерительной камерой (заполненной инертным газом) или с системой сверхвысокого вакуума MBD. Обе установки имеют окна для облучения образца лазерным лучом с целью измерения фотопроводимости, а также для визуального контроля процесса измерения через микроскоп. Температура образца может регулироваться в диапазоне от –20 °C до 120 °C.
Методы и технические приемы
При измерении анизотропных свойств кристаллов необходимо обеспечить надежный электрический контакт, который после измерения можно удалить, не оставляя загрязнений на образце. Контакт с очень небольшими образцами кристаллов (до 100 мкм) необходимо осуществлять с помощью капель жидкого галлия, нанесенных на электроды измерительной ячейки.
Установка образца
Подложка, на которую установлен образец, может стать существенным источником погрешности измерений вследствие как объемного, так и поверхностного сопротивления. Предотвратить утечку тока по (возможно, загрязненной) поверхности подложки возможно, если использовать две изолирующие пластины с образованием промежутка (щели). Крепежное приспособление должно включать микрометрический винт для регулировки ширины этого зазора.
Типичные источники погрешностей
1. Экранирование и гвардирование
Для уменьшения электростатических помех образец и соединительные кабели следует окружить проводящим кожухом, подключенным к заземлению (экран). В системе высокого вакуума сама вакуумная камера (обычно заземленная) выполняет роль экрана. Держатель образца следует подключить к потенциалу гарда, чтобы предотвратить утечку тока. Низкошумные измерения (до ~1 фАп-п) возможны, если сигнальные провода внутри камеры экранированы заземленным проводником, а насосы (например, турбомолекулярные) закрыты защитной сеткой.
2. Стабильность температуры
Если требуются измерения, зависящие от температуры, то стабильность температуры должна поддерживаться с точностью порядка 0,1 K.
Для измерения фотопроводимости крайне важно минимизировать нагрев образца и измерительной системы из-за поглощения света. Для этого следует использовать материалы с высокой теплопроводностью. В данном случае оптимальным выбором являются сапфировая подложка и медные электроды для монтажа образца. Сапфир обладает хорошей теплопроводностью и практически не поглощает свет в широком спектральном диапазоне.
3. Фотоэлектрический эффект
Если длина волны света короче определенного порога, зависящего от материала электрода, энергия фотонов достаточна для эмиссии электронов из материала электрода. Это приводит к ионизации газа между электродами и появлению проводящего пути для тока. При измерении в условиях высокого вакуума эти выбитые фотоэлектроны создают дополнительный ток. Чтобы избежать таких эффектов, длина волны освещения должна быть больше пороговой для фотоэлектрического эффекта. Для галлия пороговая длина волны составляет примерно 295 нм.
4. Накопленные заряды
Во многих диэлектриках (особенно в тефлоне) накапливаются электрические заряды. Ток может выходить на установившееся значение в течение нескольких часов после изменения приложенного напряжения или температуры. Это особенно заметно для образцов с очень высоким сопротивлением при высоких уровнях приложенного напряжения. Не рекомендуется начинать измерение, пока ток не стабилизируется.
🔍Хотите узнать о Techmize TH2690 больше?
Переходите по этой ссылке в карточку оборудования
Полную версию статьи читайте на сайте Techmize.spegroup.ru