用于ZnO单晶物理参数的无损检测方法技术

本发明专利技术公开的用于ZnO单晶物理参数的无损检测方法主要是基于点缺陷弱束缚电子跳跃电导的介电弛豫效应：高频下弱束缚电子的输运仅限于晶胞内，主要表现为介电弛豫；低频下弱束缚电子的输运可跨越耗尽层，甚至整个晶粒，主要表现为电导过程，此时介电弛豫效应将达到饱和；根据介电常数发生改变的拐点所对应的频率就能推算耗尽层、晶粒的几何尺寸；测试过程主要以介电谱为主表征耗尽层厚度和晶粒尺寸，同时通过模量谱对低频电导和高频弛豫信息进行确诊，并通过阻抗谱获得非均匀各部分的阻抗参数。本发明专利技术用于ZnO单晶物理参数的无损检测方法具有操作简便、无损及误差小的优点。

【技术实现步骤摘要】
用于ZnO单晶物理参数的无损检测方法
本专利技术属于电工材料检测
，涉及一种非均匀半导体材料或具有壳心结构的半导体器件物理尺寸的无损检测方法，具体涉及一种用于ZnO单晶物理参数的无损检测方法。
技术介绍
目前流行的各种几何尺寸测量方法都难以测量非均匀材料体系的微观尺寸，无法同时实现物理尺寸与物理参数的同时测量。扫描电子显微镜(简称：SEM)是显微结构几何参数测量的主要方法，但无法实现物理非均匀区与本体的鉴别，如：难以从半导体母体中分辨出肖特基势垒区，因此难以测量肖特基的厚度。在半导体材料与器件领域，I-V特性方法和C-V特性方法是常用的微观参数测量方法。I-V特性方法基于肖特基势垒，在小电流区遵循热电子发射原理进行测试；C-V特性方法基于直流偏压下势垒正偏侧和反偏侧耗尽层厚度的变化不同引起势垒微分电容发生变化的原理进行测试。在实践中发现，I-V特性方法难以获得势垒的物理尺寸；而C-V特性方法不仅可以获得势垒高度，还能获得耗尽层宽度，但是C-V特性方法操作复杂，而且需要对实验数据进行多次拟合，因此主观偏差较大，其测试结果的误差往往远大于I-V特性方法。均匀体系的物理尺寸及物理参数可直接测量，但非均匀体系的物理尺寸和物理参数往往难以直接测量，尤其是难以同时实现非均匀显微结构的物理尺寸和物理参数的同时测量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供用于ZnO单晶物理参数的无损检测方法，具有操作简便、无损及误差小的优点。本专利技术所采用的第一种技术方案在于，用于ZnO单晶物理参数的无损检测方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、在-140℃～20℃的温度范围内，每隔20℃测量一次介电频谱，频率范围为1Hz～107Hz；外加的交流电幅值为1V，半周期平均值为0.9V；步骤2、分别采用电容率谱、电模量谱、电阻抗谱来表征表面溅射Au电极的ZnO单晶的介电特性；步骤3、将步骤2中的表面溅射Au电极的ZnO单晶作为模型材料，基于半导体与金属电极之间存在肖特基势垒，表面溅射Au电极的ZnO单晶是一个非均匀的材料体系或等效为放大了的背靠背肖特基二极管；步骤4、ε″-f曲线高频区存在一个损耗峰，低频区存在直流电导引起的线性下降区，结合Arrhenius算法，经计算得到高频弛豫的活化能为0.34eV；步骤5、采用电模量谱对表面溅射Au电极的ZnO单晶的介电特性进行进一步确认；步骤6、采用阻抗谱获得非均匀各部分阻抗的频率特性；步骤7、基于点缺陷弱束缚电子跳跃电导的介电弛豫效应理论，高频介电弛豫和低频直流电导均起源于弱束缚电子的输运过程，测试频率的高低决定了弱束缚电子的跳跃尺度；步骤8、直流电导引入的赝极化，其等效弛豫时间具体如下：τ0＝ε0ε∞/γ；相应的弛豫频率具体表示如下：f0＝1/2πτ0＝γ/2πε0ε∞；根据阻抗谱获得的晶粒电阻率计算得到均匀单晶内电子在单胞内的弛豫频率为0.84×108Hz；步骤9、对于表面形成势垒区的非均匀单晶；表面势垒的电场强度与单晶平均电场强度之比为：(0.9V/16μm)/(1V/0.8mm)＝45；半导体芯层的电场强度与单晶平均电场强度之比为：[0.1V/(0.8mm-16μm)]/(1V/0.8mm)≈0.1；基于电子漂移速度与电场强度成正比，进而与电子跨越单个晶胞对应的频率也成正比，势垒区内电子的等效弛豫频率为45×0.84×108Hz＝3.78×109Hz，而半导体芯层内电子等效弛豫频率为0.84×107Hz；步骤10、ε′-f曲线上高频端的转折点频率为1.03×105Hz，对应于电子恰好能跨越晶粒表面层势垒区所需要的时间；根据1.03×105Hz×d1＝3.78×109Hz×0.52nm，得到势垒区厚度d1＝18μm；步骤11、ε′-f曲线上低频端饱和区转折点频率为5.07Hz，对应于电子恰好跨越半导体芯层所需要的时间，根据5.07Hz×d2＝0.84×107Hz×0.52nm，经计算得到半导体芯层厚度为d2＝0.86mm；由于势垒区厚度与整个单晶厚度相比是能够忽略的，得到单晶厚度为d＝0.86mm；单晶厚度实际值为0.8mm，测量值与实际值相差很小。本专利技术第一种技术方案的特点还在于：步骤2具体按照以下方法实施：在-140℃～20℃温度范围内，每20℃测试一次介电特性，通过不同温度下的ε′-f、ε″-f曲线，获得低频电导信息和高频弛豫信息；通过m′-f、m″-f曲线对低频电导和高频弛豫信息进行确认；通过z′-f、z″-f曲线获得非均匀各部分的阻抗参数；其中，ε′、ε″分别为电容率的实部与虚部；m′、m″分别为电模量的实部与虚部；z′、z″分别为电阻抗的实部与虚部。步骤5具体按照以下方法实施：m′-f曲线随测试频率的升高依次出现两个平台区，低频上升区呈线性，且斜率为1.8，对应于直流电导过程；m″-f曲线存在两个弛豫峰，其中低频峰对应于直流电导的赝极化，高频峰对应于介电弛豫过程；根据Arrhenius算法，经过计算得到高频介电弛豫的活化能为0.34eV，与电容率谱的结果一致。步骤6具体按照以下方法实施：随着频率的下降，z′-f曲线中存在两个台阶式上升区域，其中低频平台高度为146Ωm，高频平台高度为14.2Ωm；由于表面存在肖特基势垒，低频平台和高频平台分别对应于低频区和高频区单晶的平均电阻率；根据Arrhenius算法，经过计算得到高频电阻率、低频电阻率的活化能分别为0.35eV和0.34eV；经对比得到：高频电阻率、低频电阻率的活化能非常接近，起源于相同的微观机制。步骤7具体按照以下方法实施：若外施交变电场的频率过高，以至于电子难以跨越单个晶胞，则电荷输运就表现为介电弛豫过程；若外施电场频率适中，电子能跨越单个晶胞，但难以跨越整个晶粒，则电导效应随着频率的下降而逐渐增强，直至外施电场足够低以至于电子可以跨越整个晶粒，此时主要表现为电导过程，而且电荷输运的介电弛豫效应也达到了饱和。本专利技术所采用的第二种技术方案在于，用于ZnO单晶物理参数的无损检测方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、在-140℃～20℃的温度范围内，每隔20℃测量一次介电频谱，频率范围为1Hz～107Hz；外加的交流电幅值为1V，半周期平均值为0.9V；步骤2、分别采用电容率谱、电模量谱、电阻抗谱来表征表面溅射Au电极的ZnO单晶的介电特性；步骤3、将步骤2中的表面溅射Au电极的ZnO单晶作为模型材料，基于半导体与金属电极之间存在肖特基势垒，表面溅射Au电极的ZnO单晶是一个非均匀的材料体系或等效为放大了的背靠背肖特基二极管；步骤4、ε″-f曲线高频区存在一个损耗峰，低频区存在直流电导引起的线性下降区，结合Arrhenius算法，经计算得到高频弛豫的活化能为0.34eV；步骤5、采用电模量谱对表面溅射Au电极的ZnO单晶的介电特性进行进一步确认；步骤6、采用阻抗谱获得非均匀各部分阻抗的频率特性；步骤7、基于点缺陷弱束缚电子跳跃电导的介电弛豫效应理论，高频介电弛豫和低频直流电导均起源于弱束缚电子的输运过程，测试频率的高低决定了弱束缚电子的跳跃尺度；步骤8、直流电导引入的赝极化，其等效弛豫时间具体如下：τ0＝ε0ε∞/γ；相应的弛豫频率具体表示如下：f0＝1/2πτ0＝γ/2πε0ε∞；根据阻抗谱获得的晶粒电阻率计算得到均匀本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于ZnO单晶物理参数的无损检测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、在30℃～140℃的温度范围内，每隔10℃～20℃测量一次介电频谱，频率范围为1Hz～107Hz；外加的交流电幅值为1V，半周期平均值为0.9V；步骤2、分别采用电容率谱、电模量谱、电阻抗谱来表征表面溅射Au电极的ZnO单晶的介电特性；步骤3、将步骤2中的表面溅射Au电极的ZnO单晶作为模型材料，基于半导体与金属电极之间存在肖特基势垒，表面溅射Au电极的ZnO单晶是一个非均匀的材料体系或等效为放大了的背靠背肖特基二极；步骤4、ε″‑f曲线高频区存在一个损耗峰，低频区存在直流电导引起的线性下降区，结合Arrhenius算法，经计算得到高频弛豫的活化能为0.34eV；步骤5、采用电模量谱对表面溅射Au电极的ZnO单晶的介电特性进行进一步确认；步骤6、采用阻抗谱获得非均匀各部分阻抗的频率特性；步骤7、基于点缺陷弱束缚电子跳跃电导的介电弛豫效应理论，高频介电弛豫和低频直流电导均起源于弱束缚电子的输运过程，测试频率的高低决定了弱束缚电子的跳跃尺度；步骤8、直流电导引入的赝极化，其等效弛豫时间具体如下：τ0＝ε0ε∞/γ；相应的弛豫频率具体表示如下：f0＝1/2πτ0＝γ/2πε0ε∞；根据阻抗谱获得的晶粒电阻率计算得到均匀单晶内电子在单胞内的弛豫频率为0.84×108Hz；步骤9、对于表面形成势垒区的非均匀单晶；表面势垒的电场强度与单晶平均电场强度之比为：(0.9V/16μm)/(1/V0.8mm)＝45；半导体芯层的电场强度与单晶平均电场强度之比为：[0.1V/(0.8mm‑16μm)]/(1V/0.8mm)≈0.1；基于电子漂移速度与电场强度成正比，进而与电子跨越单个晶胞对应的频率也成正比，势垒区内电子的等效弛豫频率为45×0.84×108Hz＝3.78×109Hz，而半导体芯层内电子等效弛豫频率为0.84×107Hz；步骤10、步骤10、ε′‑f曲线上高频端的转折点频率为1.03×105Hz，对应于电子恰好能跨越晶粒表面层势垒区所需要的时间；根据1.03×105Hz×d1＝3.78×109Hz×0.52nm，得到势垒区厚度d1＝18μm；步骤11、ε′‑f曲线上低频端饱和区转折点频率为5.07Hz，对应于电子恰好跨越半导体芯层所需要的时间，根据5.07Hz×d2＝0.84×107Hz×0.52nm，经计算得到半导体芯层厚度为d2＝0.86mm；由于势垒区厚度与整个单晶厚度相比是能够忽略的，得到单晶厚度为d＝0.86mm；单晶厚度实际值为0.8mm，测量值与实际值相差很小。...

【技术特征摘要】
1.用于ZnO单晶物理参数的无损检测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、在-140℃～20℃的温度范围内，每隔20℃测量一次介电频谱，频率范围为1Hz～107Hz；外加的交流电幅值为1V，半周期平均值为0.9V；步骤2、分别采用电容率谱、电模量谱、电阻抗谱来表征表面溅射Au电极的ZnO单晶的介电特性；步骤3、将步骤2中的表面溅射Au电极的ZnO单晶作为模型材料，基于半导体与金属电极之间存在肖特基势垒，表面溅射Au电极的ZnO单晶是一个非均匀的材料体系或等效为放大了的背靠背肖特基二极管；步骤4、ε″-f曲线高频区存在一个损耗峰，低频区存在直流电导引起的线性下降区，结合Arrhenius算法，经计算得到高频弛豫的活化能为0.34eV；步骤5、采用电模量谱对表面溅射Au电极的ZnO单晶的介电特性进行进一步确认；步骤6、采用阻抗谱获得非均匀各部分阻抗的频率特性；步骤7、基于点缺陷弱束缚电子跳跃电导的介电弛豫效应理论，高频介电弛豫和低频直流电导均起源于弱束缚电子的输运过程，测试频率的高低决定了弱束缚电子的跳跃尺度；步骤8、直流电导引入的赝极化，其等效弛豫时间具体如下：τ0＝ε0ε∞/γ；相应的弛豫频率具体表示如下：f0＝1/2πτ0＝γ/2πε0ε∞；根据阻抗谱获得的晶粒电阻率计算得到均匀单晶内电子在单胞内的弛豫频率为0.84×108Hz；步骤9、对于表面形成势垒区的非均匀单晶；表面势垒的电场强度与单晶平均电场强度之比为：(0.9V/16μm)/(1V/0.8mm)＝45；半导体芯层的电场强度与单晶平均电场强度之比为：[0.1V/(0.8mm-16μm)]/(1V/0.8mm)≈0.1；基于电子漂移速度与电场强度成正比，进而与电子跨越单个晶胞对应的频率也成正比，势垒区内电子的等效弛豫频率为45×0.84×108Hz＝3.78×109Hz，而半导体芯层内电子等效弛豫频率为0.84×107Hz；步骤10、ε′-f曲线上高频端的转折点频率为1.03×105Hz，对应于电子恰好能跨越晶粒表面层势垒区所需要的时间；根据1.03×105Hz×d1＝3.78×109Hz×0.52nm，得到势垒区厚度d1＝18μm；步骤11、ε′-f曲线上低频端饱和区转折点频率为5.07Hz，对应于电子恰好跨越半导体芯层所需要的时间，根据5.07Hz×d2＝0.84×107Hz×0.52nm，经计算得到半导体芯层厚度为d2＝0.86mm；由于势垒区厚度与整个单晶厚度相比是能够忽略的，得到单晶厚度为d＝0.86mm；单晶厚度实际值为0.8mm，测量值与实际值相差很小。2.根据权利要求1所述的用于ZnO单晶物理参数的无损检测方法，其特征在于，所述步骤2具体按照以下方法实施：在-140℃～20℃温度范围内，每20℃测试一次介电特性，通过不同温度下的ε′-f、ε″-f曲线，获得低频电导信息和高频弛豫信息；通过m′-f、m″-f曲线对低频电导和高频弛豫信息进行确认；通过z′-f、z″-f曲线获得非均匀各部分的阻抗参数；其中，ε′、ε″分别为电容率的实部与虚部；m′、m″分别为电模量的实部与虚部；z′、z″分别为电阻抗的实部与虚部。3.根据权利要求1所述的用于ZnO单晶物理参数的无损检测方法，其特征在于，所述步骤5具体按照以下方法实施：m′-f曲线随测试频率的升高依次出现两个平台区，低频上升区呈线性，且斜率为1.8，对应于直流电导过程；m″-f曲线存在两个弛豫峰，其中低频峰对应于直流电导的赝极化，高频峰对应于介电弛豫过程；根据Arrhenius算法，经过计算得到高频介电弛豫的活化能为0.34eV，与电容率谱的结果一致。4.根据权利要求1所述的用于ZnO单晶物理参数的无损检测方法，其特征在于，所述步骤6具体按照以下方法实施：随着频率的下降，z′-f曲线中存在两个台阶式上升区域，其中低频平台高度为146Ωm，高频平台高度为14.2Ωm；由于表面存在肖特基势垒，低频平台和高频平台分别对应于低频区和高频区单晶的平均电阻率；根据Arrhenius算法，经过计算得到高频电阻率、低频电阻率的活化能分别为0.35eV和0.34eV；经对比得到：高频电阻率、低频电阻率的活化能非常接近，起源于相同的微观机制。5.根据权利要求1所述的用于ZnO单晶物理参数的无损检测方法，其特征在于，所述步骤7具体按照以下方法实施：若外施交变电场的频率过高，以至于电子难以跨越单个晶胞，则电荷输运就表现为介电弛豫过程；若外施电场频率适中，电子能跨越单个晶胞，但难以跨越整个晶粒，则电导效应随着频率的下降而逐渐增强，直至外施电场足够低以至于电子可以跨越整个晶粒，此时主要表现为电导过程，而且电荷输运的介电弛豫效应也达到了饱和。6.用于ZnO单晶物理参数的无损检测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、在-140℃...

【专利技术属性】
技术研发人员：成鹏飞，宋江，
申请(专利权)人：西安工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61