[发明专利]用于ZnO单晶物理参数的无损检测方法

说明书

技术领域

本发明属于电工材料检测技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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；