闭循环低温探针台（低温探针台中低电流测量的注意事项）
低电流测量（低于 1 nA）是评估成熟和新兴半导体器件的设计和制造质量的关键工具。 在这种情况下，器件材料、生长参数或器件几何形状的修改会导致器件中出现不希望的和无关的电流路径。 这些所谓的漏电流可能是由材料缺陷、栅极氧化物形态、衬底选择和电场分布造成的，并最终导致器件性能下降——最常见的是功耗过大。 由于许多这些泄漏路径背后的物理机制具有众所周知的温度依赖性，因此低温探测测量可以成为识别电流泄漏的精确机制的有用评估工具，特别是对于新材料和器件架构。
温度对器件泄漏的影响可以在商用的 N 型硅 JFET 在 300 K 和 80 K 的传输曲线中看到。测量是在具有三轴电缆和接地的 Lake Shore 型号 CPX-VF 探针台中进行的样品架。该设备采用 Keithley 4200 半导体表征系统；在源测量单元 (SMU) 的最低电流范围 (1 pA) 下，4200 的精度为 1% ±10 fA。
通过将器件冷却到 100 K 以下，将室温下的皮安级亚阈值泄漏显着降低到大约 6 fA。该器件中的亚阈值泄漏可能是由于热辅助传输穿过栅极势垒，其在 100 K 以下淬火。为了实现在这些异常低的电流 (fA) 测量条件下，必须注意测量设备的各个方面，包括测量单元、电缆、环境和设备夹具。在本应用说明中，将回顾低电流、低温探测测量的关键方面。
布线和固定装置
同轴电缆，通常称为同轴电缆或 BNC 电缆，由于其低噪声和宽频率特性，在大多数实验室中很常见。 同轴电缆中的中心导体（或力线）被高电阻绝缘体包围，所有绝缘体都位于导电屏蔽层内（图 2）。 在设备测量中，同轴电缆的外屏蔽层接地，设备端子连接到中心力导体。 施加在电源线上的电压通常会导致电流流向设备，但由于中心导体和屏蔽层之间存在电压差，因此会在总测量电流中增加一个小的电缆泄漏电流（通过 RI）。 高质量同轴电缆的绝缘层具有大约 100 GΩ 的电阻。 如果中心导体偏置到 10 V，则将出现大约 100 pA 的电缆泄漏电流。
图 2. 同轴线中的导体和使用同轴配置的设备测量布局。 此配置中的绝缘泄漏和充电效应将低电流性能限制在大约 1 nA。
对于使用同轴电缆进行的低电流测量，充电电流可能是更有害的影响。 通常，器件测量需要扫描电压并测量相应的电流响应。 在扫描电压时，电缆电容将产生充电电流 (IC)，由下式给出：
其中 C 是总电缆电容——通常约为 30 pF/ft。 对于 1 m 电缆和 1 V/s 扫描速率的测量，充电电流接近 1 nA。 当然，可以通过降低扫描速率来降低充电电流，但这会给器件特性增加不必要的测试时间。
三轴或三轴电缆可以消除同轴配置遇到的充电和泄漏电流。 三同轴电缆与同轴电缆相似，只是在中心导体和外屏蔽层之间增加了一个中间同心保护导体（图 3）。 使用现代源测量单元，保护装置由缓冲放大器以与中心导体相同的电压驱动。 由于保护和强制导体处于相同的电位，因此它们之间不会有泄漏电流流动。 在扫描测量期间，强制和保护之间的电压保持恒定，这也消除了充电电流。
图 3. 三轴导线中的导体和使用三轴配置的设备测量布局。 在此配置中添加保护导体可减少绝缘泄漏和充电效应，从而实现 fA 级低电流性能。
Lake Shore 低温探针台中的微操纵探针臂提供同轴和三轴电缆，并且根据测量需要，用户可以在现场更换电缆。 对于低于 1 nA 的测量，Lake Shore 建议使用三同轴电缆配置。 在三同轴配置中，探针臂馈通和电缆以及探针刀片完全保护到探针尖端，以实现出色的低电流性能（图 4）。 探头臂组件的泄漏电流是通过将探头升高到样品台上方并使用吉时利 4200 中的保护源测量单元使用固定的 1 pA 电流设置扫描电压来测量的。 此外，Lake Shore 还提供同轴和三轴样品架，可用于将防护罩延伸至样品架。
图 4. Lake Shore 三轴探针臂组件中测得的漏电流，包括馈通、电缆和探针刀片。
摩擦电、热电和压电效应
电缆或设备接触处的摩擦充电（摩擦电）、热梯度（热电）和机械应力（压电）会导致背景电流，从而掩盖设备测量的结果。 为了减少探测测量中的这些充电效应：
在开始设备测量之前，在源单元和探针台之间连接电缆后等待 15 到 30 分钟。 任何由电缆弯曲或扭曲引起的存储电荷通常会在这个时间尺度上消散。
在可变温度测量期间，在开始测量之前让探针臂有足够的时间进入热平衡。 在 Lake Shore 探针台中，可以使用探测臂传感器监测热稳定性，并且其变化应 <1 K/min。
请勿在真空泵、真空连接以及（在闭式循环系统的情况下）压缩机单元上或穿过电缆。
避免测量电缆出现扭结或急弯。
图 5. 蒸汽饱和和真空三同轴馈通和电缆的泄漏电流。 电化学传输限制了设备测量的电流灵敏度，可以通过最大限度地减少探测组件的污染以及在每次测量前抽空样品空间来避免。
肮脏的表面和湿度
设备或探针台的低电流性能可能会因电缆、探针和设备上吸收的水和污染物而受到影响。 当施加偏压时，带电污染物可以自由移动，并可能导致背景电流。 下面是存储在潮湿环境中的探头组件的泄漏电流图。 在环境条件下测量，组件中的背景电流可能会掩盖敏感的电流测量。 一旦组件在探测站中被抽空，低电流测量条件就会恢复。
为了避免电化学的影响，建议在进行任何小电流测量之前，疏散探头站室——即使在进行室温测量时也是如此。当不使用时，湖滨探测站的真空室应抽真空或用干气体净化，以减少进一步的污染。操作设备和探针站部件(如更换探针)时应佩戴丁腈手套或乳胶手套，以免污染探测环境。
结论
随着半导体器件的尺寸越来越小，漏电流会显着增加这些组件的整体功耗。 识别和建模各种泄漏机制对于开发用于低功率和高功率应用的下一代设备至关重要。 由于泄漏的几个因素是热激活的，低温探测测量有利于评估在特定设备架构中驱动泄漏的物理机制。 在适当注意布线和设备环境的情况下，Lake Shore 低温探针台展示了超低电流半导体设备测量（对于评估设备泄漏至关重要）。
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