MFIAでの迅速で正確な C-V 測定
MFIA 5MHz インピーダンスアナライザ / 高精度 LCRメーター
最大 3000 V/s の高速 C-V 測定
このブログ記事では、高速バイアス - 電圧プロファイリング測定などのために、DC バイアス電圧の関数として、短い時間スケール（20 µs）でキャパシタンスを測定する MFIA（MFIA オプション付きの MFLI）の機能について説明します。最大3000 V/s の電圧掃引が実証されています。
C-V プロファイリングは、印加された DC バイアス電圧の関数として半導体デバイスまたは材料の静電容量を測定することを含みます。これは、MOSFET、太陽電池、OLED、ショットキーダイオード、TFT などの無数のデバイスや材料を評価するために一般的に使用されている技術であり、デバイスの空乏領域の調査に役立ちます。
半導体接合の空乏領域を理解することは、その動作を理解するために重要です。それは、電子と正孔が押し出された界面の領域からなり、これは自由電荷キャリアがないことを意味します。空乏領域には電荷キャリアが不足していますが、それでも電気的に活性な欠陥（トラップ）と静電容量を生じさせるイオン化されたサイトを含みます。従って、C-V プロファイリングは、印加された DC バイアス電圧と共に空乏領域の幅（空乏幅）がどのように変化するかについての情報を与えます。これにより、デバイスのトラップ密度、ドーピング濃度、ドーピングプロファイルに関する重要な情報が得られます。電荷キャリア移動はトラップによって支配されるので、それは空乏領域内でゆっくり起こり、C-V プロファイリングにおいてヒステリシス効果を生じさせます。デバイスを低温に冷却することによってトラップを凍結させることができ、したがってドーピングプロファイルにアクセスすることがでます。しかしながら、冷却は高価であり、他の方法は、C-V プロファイリング中に使用される傾斜電圧の速度を変えることです。
図1：MFITF フィクスチャを備えた MFIA。 市販の単結晶太陽電池は、MFITF に挿入された MFITF サンプルキャリア上に取り付けられます。 AUXIN1 コネクタは、AUXOUT1 で生成された DC バイアス電圧を受け取ります。（MF-MD オプションが必要です）。
注：MF-MD オプションが利用できない場合は、外部電圧発生器を代用することができます。
MFIA は LabOne ユーザインターフェースのスイーパモジュールを使ってボックスから直接 C-V を測定することができます。 図2 は、-2 V〜1.8 V の暗状態で市販されている太陽電池での DC バイアス電圧掃引を示しています。静電容量は、1 MHz で100 mV の AC テスト信号でオフセット DC バイアス電圧の関数として測定されます。Aux Input 1 コネクタを使って DC バイアス電圧をテスト信号に加えました。 図2は、静電容量（赤いトレース）がゼロバイアス時の 1.63 nF から +1 V バイアス時の 2.36 nF に上昇することを示しています。 掃引はわずか0.1 V/s のゆっくりとした速度で行われました。
図2：LabOne スイーパーモジュールの結果。オフセット DC 電圧の関数としての静電容量（赤いトレース）を示しています。トレースは 200 ポイントで構成され、取得に 10 秒かかりました。+1 V DC オフセットバイアスでセルの静電容量が 1.63 nF から 2.36 nF に上昇したことを示しています。電圧上昇速度は0.1 V/s でした。
このブログの目的は、MFIA を使用して高速で信頼性の高い CV 測定を実演することであるため、C-V 動作がバイアス電圧掃引速度に依存しないサンプルを選択する必要がありました。単結晶太陽電池サンプルは、このニーズにぴったり合っていました。
MFIA は、前面パネルの AUXIN 1 コネクタを介して、内部と外部の両方に DC バイアス電圧を供給できます。このブログ記事で示された測定では、のこぎり波パターンは MFIA によって生成され（オプションの MF-MD オプションを使用）、図1 に示すように AUXIN 1 にフィードバックされました。
LabOne プロッタモジュールから始めて、キャパシタンスと DC バイアス電圧を２つの同時トレースとして取得し、プロッタを連続的に実行することができます。得られたトレースを図3に示します。これは、ゼロオフセットでの静電容量（赤いトレース）の値が 1.63 nF であることを示しています。 DC バイアス電圧（青いトレース）が 1 V まで上昇すると、C は 2.36 nF に達します。これら２つの容量値は、図2 に示す掃引モジュールでの低速掃引とよく一致しています。これは、電圧掃引速度がまだ 0.5 V/s しかないためです。
図3：LabOne プロッタモジュールの静電容量（赤いトレース）と対応する DC バイアス電圧（青いトレース） 電圧掃引速度は 0.5 V/s です。 測定された静電容量の値は、図2 に示されているスイーパーモジュールで行われた測定値とよく一します。
上記の掃引はまだ比較的遅く、電圧上昇を完了するのに2秒かかります。 次のステップはランプのスピードを上げることです。 このために、LabOne DAQ モジュールを使用します。これは、ユーザ定義の数のデータポイントを取得し、簡単に設定可能なトリガを持っています。 DC バイアス電圧のランプ時間は2 msになり、これは図4 に示す 500 V/s に相当します。
図4：LabOne DAQ モジュールの静電容量（赤いトレース）と対応する DC バイアス電圧（青いトレース）電圧掃引速度は 500 V/s になりました。静電容量の測定値は、図2 に示す Sweeper モジュールと図3 の Plotter モジュールでの測定値とよく一致しています。
図4 は、2 ms（500 V/s）のランプ時間で得られた容量の挙動を示しています。 ゼロオフセットと +1 V の両方における静電容量の値は、初期（低速 CV）値と一致します。 1.63 nF および 2.36 nF。 これは、容量を測定するための MFIA の高い時間分解能を示しています。 事実、図5 は、電圧がゼロにリセットされた時点でのこのデータセットへの拡大図を示し、リセットの前（2.36 nF）および後（1.63 nF）に静電容量の値が正確に測定されることを示す。 MFIA がこれらの正確な静電容量測定値を取得するのに必要な時間はわずか 20 μs です。
図5：LabOne DAQ モジュールの静電容量（赤いトレース）と対応する DC バイアス電圧（青いトレース） 電圧掃引速度は500 V / sになりました。 静電容量の測定値は、図2のSweeperモジュールおよび図3のPlotterモジュールでの測定値とよく一致しています。タイムベースは、DC バイアスのリセット前後の静電容量を正確に測定するのに必要な時間を示すために拡大 1 Vから 0 V に戻る電圧です。この時間はわずか 20 µs です。
このような速いタイムスケールで静電容量を測定する MFIA の能力は、速い C-V プロファイルを測定するときに非常に有用な側面です。 限界を押し上げるために、DC バイアス電圧の範囲を -9.5 V から 1.5 V に拡大しました。合計 11 V、3.3 ms で掃引した結果、3000 V/s の電圧勾配が得られました。 図6 は、DC バイアス電圧を 3000 V/s で掃引した場合でも、MFIA が容量の変化を確実に追跡する方法を示しています。
図6：LabOne DAQ モジュールの静電容量（緑色のトレース）と対応する DC バイアス電圧（青色のトレース）電圧掃引速度は 3000 V/s になりました。静電容量の測定値は、緩やかな電圧掃引で得られた値とよく一致します。-9.5 V で 703 pF、+1.5 V で 5.29 nF
結論
我々は MFIA を用いて単結晶太陽電池の高速 C-V 測定を実証した。 LabOne スイーパーモジュールを使用した準静的 CV 測定では、+1 V のオフセット電圧でバイアスされていない（ゼロオフセット）容量が 1.63 nF から 2.36 nF に上昇することが示されています。全電圧掃引の間、静電容量を確実に測定して追跡します。 LabOne DAQ モジュールを使用すると、最速の静電容量測定はわずか 20 µs であることが示され、3000 V/s の DC バイアス電圧掃引速度の間の静電容量を追跡することができます。
脚注：
MFIA の電圧制限についての注意はここにあります。 ２端子モードでは最大 +/-10 V のオフセットバイアス電圧が可能ですが、４端子モードではオフセットバイアス電圧の制限は +/-3 V です。太陽電池は 1 MHz で比較的低いインピーダンスを持つため図 2〜5 に示すデータには 100Ωの４端子モードを使用し、図6 の 3000 V/s 掃引には2端子モードを使用しました。