用于ZnO單晶物理參數的無損檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于電工材料檢測技術領域，涉及一種非均勻半導體材料或具有殼心結構 的半導體器件物理尺寸的無損檢測方法，具體涉及一種用于ZnO單晶物理參數的無損檢測 方法。
【背景技術】
[0002] 目前流行的各種幾何尺寸測量方法都難以測量非均勻材料體系的微觀尺寸，無法 同時實現物理尺寸與物理參數的同時測量。掃描電子顯微鏡（簡稱：SEM)是顯微結構幾何 參數測量的主要方法，但無法實現物理非均勻區與本體的鑒別，如：難以從半導體母體中分 辨出肖特基勢皇區，因此難以測量肖特基的厚度。
[0003] 在半導體材料與器件領域，I-V特性方法和C-V特性方法是常用的微觀參數測量 方法。I-V特性方法基于肖特基勢皇，在小電流區遵循熱電子發射原理進行測試；C-V特性 方法基于直流偏壓下勢皇正偏側和反偏側耗盡層厚度的變化不同引起勢皇微分電容發生 變化的原理進行測試。在實踐中發現，I-V特性方法難以獲得勢皇的物理尺寸；而C-V特性 方法不僅可以獲得勢皇高度，還能獲得耗盡層寬度，但是C-V特性方法操作復雜，而且需要 對實驗數據進行多次擬合，因此主觀偏差較大，其測試結果的誤差往往遠大于I-V特性方 法。
[0004] 均勻體系的物理尺寸及物理參數可直接測量，但非均勻體系的物理尺寸和物理參 數往往難以直接測量，尤其是難以同時實現非均勻顯微結構的物理尺寸和物理參數的同時 測量。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于提供用于ZnO單晶物理參數的無損檢測方法，具有操作簡便、 無損及誤差小的優點。
[0006] 本發明所采用的第一種技術方案在于，用于ZnO單晶物理參數的無損檢測方法， 具體按照以下步驟實施：
[0007] 步驟1、在30°C~140°C的溫度范圍內，每隔10°C~20°C測量一次介電頻譜，頻率 范圍為IHz~IO 7Hz ;外加的交流電幅值為IV，半周期平均值為0. 9V ;
[0008] 步驟2、分別采用電容率譜、電模量譜、電阻抗譜來表征表面濺射Au電極的ZnO單 晶的介電特性；
[0009] 步驟3、將步驟2中的表面濺射Au電極的ZnO單晶作為模型材料，基于半導體與金 屬電極之間存在肖特基勢皇，表面濺射Au電極的ZnO單晶是一個非均勻的材料體系或等效 為放大了的背靠背肖特基二極；
[0010] 步驟4、ε " -f曲線高頻區存在一個損耗峰，低頻區存在直流電導引起的線性下 降區，結合Arrhenius算法，經計算得到高頻弛豫的活化能為0. 34eV ;
[0011] 步驟5、采用電模量譜對表面濺射Au電極的ZnO單晶的介電特性進行進一步確 認；
[0012] 步驟6、采用阻抗譜獲得非均勻各部分阻抗的頻率特性；
[0013] 步驟7、基于點缺陷弱束縛電子跳躍電導的介電弛豫效應理論，高頻介電弛豫和低 頻直流電導均起源于弱束縛電子的輸運過程，測試頻率的高低決定了弱束縛電子的跳躍尺 度；
[0014] 步驟8、直流電導引入的贗極化，其等效弛豫時間具體如下：
[0015] τ〇= ε 〇 ε " /γ ；
[0016] 相應的弛豫頻率具體表示如下：
[0017] f〇= 1/2 π τ 〇= γ /2 π ε 〇 ε " ；
[0018] 根據阻抗譜獲得的晶粒電阻率計算得到均勻單晶內電子在單胞內的弛豫頻率為 0. 84 X IO8Hz ；
[0019] 步驟9、對于表面形成勢皇區的非均勻單晶；
[0020] 表面勢皇的電場強度與單晶平均電場強度之比為：
[0021] (0. 9V/16 μ m) / (1/V0. 8mm) = 45 ；
[0022] 半導體芯層的電場強度與單晶平均電場強度之比為：
[0023] [0.1 V/ (0. 8mm-16 μ m) ] / (1V/0. 8mm) ^ 0.1 ；
[0024] 基于電子漂移速度與電場強度成正比，進而與電子跨越單個晶胞對應的頻率也成 正比，勢皇區內電子的等效弛豫頻率為45X0. 84X 108Hz = 3. 78X 109Hz，而半導體芯層內 電子等效弛豫頻率為〇. 84 X IO7Hz ;
[0025] 步驟10、步驟10、ε ' -f曲線上高頻端的轉折點頻率為1. 03 X IO5Hz,對應于電子 恰好能跨越晶粒表面層勢皇區所需要的時間；
[0026] 根據 LoSXlO5HzXd1= 3. 78X 10 9HzXO. 52nm，得到勢皇區厚度 Cl1= 18 μπι;
[0027] 步驟11、ε ' -f曲線上低頻端飽和區轉折點頻率為5. 07Hz，對應于電子恰好跨越 半導體芯層所需要的時間，根據5. 07Hz Xd2= 0. 84 X IO7HzXO. 52nm，經計算得到半導體芯 層厚度為d2= 0. 86mm ;
[0028] 由于勢皇區厚度與整個單晶厚度相比是能夠忽略的，得到單晶厚度為d = 0. 86mm ；
[0029] 單晶厚度實際值為0. 8_，測量值與實際值相差很小。
[0030] 本發明第一種技術方案的特點還在于：
[0031] 步驟2具體按照以下方法實施：
[0032] 在-140 °C~20 °C溫度范圍內，每20 °C測試一次介電特性，通過不同溫度下的 ε ' _f、ε " _f曲線，獲得低頻電導?目息和尚頻弛豫?目息；
[0033] 通過V -f、m" -f曲線對低頻電導和高頻弛豫信息進行確認；
[0034] 通過Z' _f、z" _f曲線獲得非均勻各部分的阻抗參數；
[0035] 其中，ε '、ε "分別為電容率的實部與虛部；
[0036] 、m"分別為電模量的實部與虛部；
[0037] 、z"分別為電阻抗的實部與虛部。
[0038] 步驟5具體按照以下方法實施：
[0039] m' -f曲線隨測試頻率的升高依次出現兩個平臺區，低頻上升區呈線性，且斜率 為I. 8,對應于直流電導過程；
[0040] m" -f曲線存在兩個弛豫峰，其中低頻峰對應于直流電導的贗極化，高頻峰對應 于介電弛豫過程；根據Arrhenius算法，經過計算得到高頻介電弛豫的活化能為0. 34eV，與 電容率譜的結果一致。
[0041] 步驟6具體按照以下方法實施：
[0042] 隨著頻率的下降，^ _f曲線中存在兩個臺階式上升區域，其中低頻平臺高度為 146 Ωηι，高頻平臺高度為14. 2 Ωηι ;
[0043] 由于表面存在肖特基勢皇，低頻平臺和高頻平臺分別對應于低頻區和高頻區單晶 的平均電阻率；根據Arrhenius算法，經過計算得到高頻電阻率、低頻電阻率的活化能分別 為 0· 35eV 和 0· 34eV ;
[0044] 經對比得到：高頻電阻率、低頻電阻率的活化能非常接近，起源于相同的微觀機 制。
[0045] 步驟7具體按照以下方法實施：
[0046] 若外施交變電場的頻率過高，以至于電子難以跨越單個晶胞，則電荷輸運就表現 為介電弛豫過程；
[0047] 若外施電場頻率適中，電子能跨越單個晶胞，但難以跨越整個晶粒，則電導效應隨 著頻率的下降而逐漸增強，直至外施電場足夠低以至于電子可以跨越整個晶粒，此時主要 表現為電導過程，而且電荷輸運的介電弛豫效應也達到了飽和。
[0048] 本發明所采用的第二種技術方案在于，用于ZnO單晶物理參數的無損檢測方法， 具體按照以下步驟實施：
[0049] 步驟1、在30°C~140°C的溫度范圍內，每隔10°C~20°C測量一次介電頻譜，頻率 范圍為IHz~IO 7Hz ;外加的交流電幅值為IV，半周期平均值為0. 9V ;
[0050] 步驟2、分別采用電容率譜、電模量譜、電阻抗譜來表征表面濺射Au電極的ZnO單 晶的介電特性；
[0051] 步驟3、將步驟2中的表面濺射Au電極的ZnO單晶作為模型材料，基于半導體與金 屬電極之間存在肖特基勢皇，表面濺射Au電極的ZnO單晶是一個非均勻的材料體系或等效 為放大了的背靠背肖特基二極；
[0052] 步驟4、ε " _f曲線高頻區存在一個損耗峰，低頻區存在直流電導引起的線性下 降區，結合Arrhenius算法，經計算得到高頻弛豫的活化能為0. 34eV ;
[0053] 步驟5、采用電模量譜對表面濺射Au電極的ZnO單晶的介電特性進行進一步確 認；
[0054] 步驟6、采用阻抗譜獲得非均勻各部分阻抗的頻率特性；
[0055] 步驟7、基于點缺陷弱束縛電子跳躍電導的介電弛豫效應理論，高頻介電弛豫和低 頻直流電導均起源于弱束縛電子的輸運過程，測試頻率的高低決定了弱束縛電子的跳躍尺 度；
[0056] 步驟8、直流電導引入的贗極化，其等效弛豫時間具體如下：
[0057] τ。= ε 〇 ε " / γ ;
[0058] 相應的弛豫頻率具體表示如下：
[0059] f〇= 1/2 π τ 〇= γ /2 π ε 〇 ε " ；
[0060] 根據阻抗譜獲得的晶粒電阻率計算得到均勻單晶內電子在單胞內的弛豫頻率為 0. 84 X IO8Hz ；
[0061] 步驟9、對于表面形成勢皇區的非均勻單晶；
[0062] 表面勢皇的電場強度與單晶平均電場強度之比為：
[0063] (0. 9V/16 μ m) / (1/V0. 8mm) = 45 ；
[0064] 半導體芯層的電場強度與單晶平均電場強度之比為：
[0065] [0.1 V/ (0. 8mm-16 μ m) ] / (1V/0. 8mm) ^ 0.1 ；
[0066] 基于電子漂移速度與電場強度成正比，進而與電子跨越單個晶胞對應的頻率也成 正比