專利名稱：一種半導體等離子體頻率測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導體等離子體頻率測量方法，利用表面等離子體波在半導體表面的傳播特性對半導體等離子體頻率進行測量，屬于半導體性能參數(shù)測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
半導體產(chǎn)業(yè)是電子工業(yè)的基礎(chǔ)，半導體器件在工業(yè)生產(chǎn)與日常生活的各個方面已大量被使用，而半導體器件的發(fā)展水平已成為衡量一個國家綜合國力的重要標志之一。如今，半導體器件的發(fā)展很大程度上依賴于新型的半導體材料的開發(fā)。當一個新的材料開發(fā)后，需要對該材料特性進行測量。而半導體的等離子體頻率是半導體特性中較為重要的一個參數(shù)，所以開發(fā)一種簡單實用的測量半導體等離子體頻率的方法就顯示得很有必要。但是，現(xiàn)有的測量半導體等離子體頻率所用的方法尚有一些不足之處。比如，有立陶宛的科學家采用10-2000MHZ的電磁波和0-32特斯拉的強磁場加在η型的銻化銦和η型的鍺上，通過激發(fā)霍爾電流(Hall currents)以及磁等離子波(helicon waves)測得載流子濃度和載流子遷移率，根據(jù)載流子濃度和載流子遷移率推算等離子體頻率(S. Barauskas,Z. Jankauskas, V. Kvedaras, A. Suslov, “Measurement of Charge Density andMobility in Semiconductors in the Strong Magnetic Field， MEASUREMENT SCIENCEREVIEW, Volume 7，Section 3，No. 1，2007)。但是，該方法需要用到強磁場，相應實驗設(shè)備昂貴而難以實現(xiàn)。而且該方法不能對生長于其他物體上面的很薄的一層半導體進行等離子體頻率的測量。當然，還有其他方法，比如可以通過測量半導體的電導率，然后通過一系列運算獲得半導體等離子體頻率。但這種方法不可避免地需要對半導體進行接觸測量，而在接觸的過程中，很有可能會對半導體的表面產(chǎn)生損壞。并且，接觸電勢差也會對最后的測量結(jié)果產(chǎn)生影響，所以該方法不能對所有半導體進行測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種半導體等離子體頻率測量方法，利用表面等離子體波在半導體表面的傳播特性對半導體等離子體頻率進行準確實時地測量。本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案
一種半導體等離子體頻率測量方法，包括以下步驟
步驟I、將兩個金屬刀片第一刀片和第二刀片，平行設(shè)置于待測半導體表面上方，兩個刀片的刀身垂直于半導體表面且刃口向下；初始時，設(shè)置兩個刀片間的距離為2厘米，刀片刃口與待測半導體表面的距離大于O小于等于500微米；由第一刀片的外側(cè)向第一刀片的刃口與待測半導體表面之間的狹縫處發(fā)射寬頻電磁波；在第二刀片的刀口外側(cè)放置一個光譜分析裝置；
步驟2、檢查光譜分析裝置是否能收到信號，如果沒有任何信號被接收到，則逐步減小所發(fā)射寬頻電磁波的最小頻率，直至光譜分析裝置可以接收到電磁波信號；
步驟3、如在步驟2的操作過程中，光譜分析裝置始終不能收到信號，則逐步減小兩個刀片間的距離，并重復步驟2，直至光譜分析裝置可以接收到電磁波信號；
步驟4、微調(diào)兩個刀片刃口與待測半導體表面的距離、入射電磁波的入射角度、光譜分析裝置接收出射電磁波的角度，使得光譜分析裝置接收到信號的幅度達到最大；
步驟5、逐步減小兩個刀片之間的距離，直至光譜分析裝置剛好不能接收到入射寬頻電磁波的全部頻率信號，記錄下此時光譜分析裝置所能探測到的最大頻率值；將該最大頻率值乘以及,即為待測半導體的等
離子體頻率。半導體的等離子體頻率與溫度相關(guān)，尤其是本征半導體，其等離子體頻率受 溫度影響更大，為了獲得半導體等離子體頻率的溫度特性，進一步地，在步驟5之后還包括
步驟6、調(diào)整待測半導體的溫度并重復步驟I至步驟5，得到待測半導體在不同溫度下的等離子體頻率。本發(fā)明的半導體等離子體頻率測量方法可以在空氣環(huán)境中進行，優(yōu)選地，整個測量過程在真空或充氮氣的環(huán)境中進行。與現(xiàn)有半導體等離子體頻率測量方法相比，本發(fā)明方法具有以下有益效果
一、直接對半導體等離子體頻率進行測量，不涉及半導體其他參數(shù)(如電導率、載流子濃度、載流子遷移率)的計算，可以實現(xiàn)實時測量，測量不需要低溫、不需要昂貴設(shè)備，具有低成本、高效率等特點。二、測量過程中不需要接觸待測半導體，避免了接觸性損傷。三、對所需測量的半導體頻率范圍沒有限制。四、由于表面等離子體波在半導體表面?zhèn)鬏?，所以本發(fā)明方法可以用來對固定在其他物體上的半導體進行非破壞性測量。即使是生長出來的很薄一層半導體薄膜，由于表面等離子體波的能量只局域在表面附近，也同樣可以測量。同時由于表面等離子體波的傳輸距離短，該方法可以對表面積較小的半導體進行測量。


圖I為本發(fā)明的半導體等離子體頻率測量方法的原理示意圖，圖中，I為電磁波，2為待測半導體，31、32為兩個平行的金屬刀片，4為表面等離子體波，5為溫度控制裝置。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明
本發(fā)明方法的測量原理如圖I所示，測量時，按照以下步驟
步驟I、如圖I所示，將兩個金屬刀片31、32，平行設(shè)置于待測半導體2的表面上方，兩個刀片的刀身垂直于半導體2上表面且刃口向下；初始時，設(shè)置兩個刀片間的距離為2厘米，刀片刃口與待測半導體表面的距離大于O小于等于500微米；由刀片31的外側(cè)向刀片31的刃口與待測半導體2上表面之間的狹縫處發(fā)射寬頻電磁波I ;在刀片32的刃口外側(cè)放置一個光譜分析裝置，用于探測可能從刀片32刃口處耦合出的電磁波信號。
在步驟I中，入射的寬頻電磁波的最高頻率高于任何半導體的等離子體頻率。當然如果預先知道待測半導體大概的頻率范圍，寬頻電磁波的最高頻率只需要大于該頻率范圍的上限即可。在步驟I中，寬頻電磁波的最低頻率與半導體的等離子體頻率的相對大小決定了是否可以通過刀片31將部分頻率的電磁波耦合為表面等離子體波。因為表面等離子體波只能在介電常數(shù) 實部符號相反的兩種介質(zhì)的界面中傳播，而
空氣的介電常數(shù)5是正的，所以只有當半導體的介電常數(shù)的實部f為負數(shù)時，表面等離子體波才能在半導體表面激發(fā)。半導體的復介電常數(shù)可以由如下的Drude模型表達
, <ci)|r2 .
ε = ε +if = s'aav I — -+ i~— 2^7
I Hh iU t iU (_1 +t j
上述公式中是半導體的復介電常數(shù)，f是半導體復介電常數(shù)的實部，f /是半導體復介電常數(shù)的虛部，A2fe是半導體的靜態(tài)介電常數(shù)，ω是所傳輸?shù)碾姶挪ń穷l率，是半導體的等離子體角頻率，J是動量馳豫時間。所以只有當寬頻電磁波I的最低頻率小于半導體的等離子頻率時，待測半導體相對于頻率小于等離子體頻率的入射電磁波的介電常數(shù)的實部為負。部分電磁波才有可能通過刀片31的刃口轉(zhuǎn)化為表面等離子體波4經(jīng)過待測半導體的表面?zhèn)鞑サ降镀?2的刃口下方，再經(jīng)過刀片32的刃口耦合回電磁波而被光譜分析裝置探測到。而如果光譜分析裝置沒有收到信號有兩種可能第一是寬頻電磁波I的最低頻率沒有小于待測半導體2的等離子頻率，所以沒有表面等離子體波產(chǎn)生，因而收不到信號；第二是寬頻電磁波I的最低頻率小于待測半導體2的等離子頻率，但是所產(chǎn)生的表面等離子體波在傳到刀片32的刃口下方前就已經(jīng)在半導體表面耗盡，所以收不到信號。如果出現(xiàn)這兩種情況可以進行下面的步驟2和步驟3。步驟2、檢查光譜分析裝置是否能收到信號，如果沒有任何信號被接收到，則逐步減小所發(fā)射寬頻電磁波I的最小頻率，直至光譜分析裝置可以接收到電磁波信號。進行這一步的目的是為了應對上面所提到的光譜分析裝置沒有收到信號的第一種可能。在逐步減小所發(fā)射寬頻電磁波I的最小頻率的同時，也可以改變所發(fā)射寬頻電磁波I的最大頻率，但前提是該最大頻率的值必須大于前一次所用寬頻電磁波I的最小頻率，直至光譜分析裝置可以接收到電磁波信號。步驟3、如在步驟2的操作過程中，光譜分析裝置始終不能收到信號，則逐步減小兩個刀片間的距離，并重復步驟2，直至光譜分析裝置可以接收到電磁波信號。進行這一步的目的是為了應對上面所提到的光譜分析裝置沒有收到信號的第二種可能。由于實際測量條件的限制，有時寬頻電磁波I的最小頻率不能再降低，但是寬頻電磁波I的最小頻率是小于待測半導體2的等離子頻率，之所以光譜分析裝置沒有收到信號是因為所產(chǎn)生的表面等離子體波在傳到刀片32的刃口下方前就已經(jīng)在待測半導體2表面耗盡。所以適當減小兩個刀片間的距離，就可以使得光譜分析裝置可以接收到電磁波信號。步驟4、微調(diào)兩個刀片刃口與待測半導體表面的距離、入射電磁波的入射角度、光譜分析裝置接收出射電磁波的角度，使得光譜分析裝置接收到信號的幅度達到最大。進行該步驟的理由是當光譜分析裝置可以接收到電磁波信號，說明有一部分表面等離子體波的頻率小于待測半導體的等離子體頻率。因為表面等離子體波的頻率越接近半導體的等離子體頻率，表面等離子體波在半導體表面的傳輸距離越短，傳輸相同距離在半導體表面衰減得越多，所以為了使光譜分析裝置檢測到最接近待測半導體的等離子體頻率的表面等離子體波頻率，需要使得兩個刀片的耦合效率達到最高。而兩個刀片的耦合效率與兩個刀片刃口與待測半導體表面的距離、入射電磁波的入射角度、光譜分析裝置接收出射電磁波的角度有一定關(guān)系?？梢酝ㄟ^微調(diào)使得光譜分析裝置接收到信號的幅度達到最大。步驟5、逐步減小兩個刀片之間的距離，直至光譜分析裝置剛好不能接收到入射寬頻電磁波的全部頻率信號，記錄下此時光譜分析裝置所能探測到的最大頻率值；將該最大頻率值乘以即為待測半導體的等離子體頻率。進行該步驟的理由是
在電磁波與表面等離子體波的耦合效率達到最大后逐步減小兩個刀片之間的距離，可以找到表面等離子體波中最接近半導體的等離子體頻率的頻率值。但是兩個刀片的距離不能無限制縮短，因為兩個刀片太接近后電磁波有可能不經(jīng)過表面等離子體波的轉(zhuǎn)化而直接被光譜分析裝置探測到，這時光譜分析裝置可以接收到入射寬頻電磁波的全部頻率信號。為了避免這種情況發(fā)生，可以逐步減小兩個刀片之間的距離，直至光譜分析裝置剛好不能接收到入射寬頻電磁波的全部頻率信號為止，記錄下此時光譜分析裝置所能探測到的最大頻率值。因為表面等離子體波存在于待測半導體與外部氣體這兩種介質(zhì)的界面上，而界面上電位移矢量沿表面法線分量連續(xù)，此時電矢量大小相同，因而待測半導體介電常數(shù)的實
部與外部氣體的介電常數(shù)實部ε2相加為零。根據(jù)Drude模型，并在接近待測半導體等離
子體頻率的頻段忽略待測半導體內(nèi)的電子運動衰減，待測半導體的介電常數(shù)實部可以近似 2
寫成Z =1- ，式中m為待測半導體的等離子體頻率，為本步驟中所測到的表面等離
Oi
子體波的最大頻率，外部氣體的介電常數(shù)實部今為1，根據(jù)上述公式即可推算出待測半導體等離子體頻率巧為為m。步驟6、調(diào)整待測半導體的溫度并重復步驟I至步驟5，得到待測半導體在不同溫度下的等離子體頻率。半導體的等離子體角頻率的表達式為Wp= [ne2/(e0estatiJn )]V2，其中/7是半導
體的載流子濃度，是半導體的靜態(tài)介電常數(shù)^是電子電量，^是真空介電常數(shù)， 是
載流子有效質(zhì)量。當溫度升高時，待測半導體的載流子濃度會發(fā)生變化，半導體的等離子體頻率也會相應變化。因此可以通過調(diào)整待測半導體的溫度并重復步驟I至步驟5，得到待測半導體在不同溫度下的等離子體頻率。為了便于公眾理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面以銻化銦本征半導體作為待測半導體為例來進一步說明。步驟I、將兩個金屬刀片第一刀片和第二刀片，平行設(shè)置于銻化銦本征半導體表面上方，兩個刀片的刀身垂直于銻化銦本征半導體表面且刃口向下；初始時，設(shè)置兩個刀片、間的距離為2厘米，刀片刃口與待測半導體表面的距離為300微米；由第一刀片的外側(cè)向第一刀片的刃口與待測半導體表面之間的狹縫處發(fā)射寬頻電磁波，入射波與刀片的夾角為67度；在第二刀片的刀口外側(cè)放置一個光譜分析裝置，光譜分析裝置的信號接收方向與刀片的夾角也為67度。步驟2、檢查光譜分析裝置是否能收到信號，如果沒有任何信號被接收到，則逐步減小所發(fā)射寬頻電磁波的最小頻率，直至光譜分析裝置可以接收到電磁波信號。因為待測半導體是銻化銦本征半導體，如果知道銻化銦本征半導體的等離子體頻率在太赫茲波段，可以直接將寬頻的太赫茲波射到第一刀片的刃口。當然如果不知道其大概頻段范圍，也可以依次用各種紅外光源進行測試。最終，使用了比如輸出頻率范圍為
O.l-3THz太赫茲光源?？紤]到空氣中的水蒸汽對太赫茲波的吸收會影響太赫茲時域光譜裝置檢測到太赫茲波信號，整個檢測過程在真空或充氮氣的環(huán)境中進行。此時，采用時域光譜分析裝置可以在第二刀片的刃口外側(cè)檢測到太赫茲波信號。
步驟3、如在步驟2的操作過程中，光譜分析裝置始終不能收到信號，則逐步減小兩個刀片間的距離，并重復步驟2，直至光譜分析裝置可以接收到電磁波信號。因為O. ITHz的太赫茲表面等離子體波在常溫下的銻化銦本征半導體表面的傳輸距離大于兩個刀片間的距離，所以光譜分析裝置可以收到信號，不需要進行步驟3。當然，如果我們所使用的是頻率范圍為l-3THz的太赫茲波源，因為ITHz的太赫茲表面等離子體波在常溫下的銻化銦本征半導體表面的傳輸距離小于兩個刀片間的距離，此時就需要進行步驟3，使得時域光譜分析裝置可以探測到太赫茲波信號。步驟4、微調(diào)兩個刀片刃口與銻化銦本征半導體表面的距離、入射電磁波的入射角度、光譜分析裝置接收出射電磁波的角度，使得光譜分析裝置接收到信號的幅度達到最大。微調(diào)后的結(jié)果是67度的入射角，67度的出射角，以及300微米的兩刀片刃口與銻化銦本征半導體間距可以使得太赫茲時域光譜裝置所探測到的太赫茲信號達到最大。這里兩個刀片刃口與銻化銦本征半導體表面的距離小于太赫茲表面等離子體波在外部氣體中的衰減距離。步驟5、逐步減小兩個刀片之間的距離，直至光譜分析裝置剛好不能接收到入射寬頻電磁波的全部頻率信號，記錄下此時光譜分析裝置所能探測到的最大頻率值為1.4THZ ；將該最大頻率值乘以及，即為銻化銦本征半導體的等離子體頻率2THz。半導體的等離子體頻率與溫度相關(guān)，為了獲得銻化銦本征半導體等離子體頻率的溫度特性，進一步地，在步驟5之后還包括
步驟6、調(diào)整待測半導體的溫度并重復步驟I至步驟5，得到待測半導體在不同溫度下的等離子體頻率。比如在_30°C時，測得其等離子體頻率為O. 9THz。
權(quán)利要求
1.一種半導體等離子體頻率測量方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟I、將兩個金屬刀片第一刀片和第二刀片，平行設(shè)置于待測半導體表面上方，兩個刀片的刀身垂直于半導體表面且刃口向下；初始時，設(shè)置兩個刀片間的距離為2厘米，刀片刃口與待測半導體表面的距離大于O小于等于500微米；由第一刀片的外側(cè)向第一刀片的刃口與待測半導體表面之間的狹縫處發(fā)射寬頻電磁波；在第二刀片的刀口外側(cè)放置一個光譜分析裝置； 步驟2、檢查光譜分析裝置是否能收到信號，如果沒有任何信號被接收到，則逐步減小所發(fā)射寬頻電磁波的最小頻率，直至光譜分析裝置可以 接收到電磁波信號； 步驟3、如在步驟2的操作過程中，光譜分析裝置始終不能收到信號，則逐步減小兩個刀片間的距離，并重復步驟2，直至光譜分析裝置可以接收到電磁波信號； 步驟4、微調(diào)兩個刀片刃口與待測半導體表面的距離、入射電磁波的入射角度、光譜分析裝置接收出射電磁波的角度，使得光譜分析裝置接收到信號的幅度達到最大； 步驟5、逐步減小兩個刀片之間的距離，直至光譜分析裝置剛好不能接收到入射寬頻電磁波的全部頻率信號，記錄下此時光譜分析裝置所能探測到的最大頻率值；將該最大頻率值乘以在,即為待測半導體的等離子體頻率。
2.如權(quán)利要求I所述半導體等離子體頻率測量方法，其特征在于，在步驟5之后還包括 步驟6、調(diào)整待測半導體的溫度并重復步驟I至步驟5，得到待測半導體在不同溫度下的等離子體頻率。
3.如權(quán)利要求I或2所述半導體等離子體頻率測量方法，其特征在于，整個測量過程在真空或充氮氣的環(huán)境中進行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半導體等離子體頻率測量方法。本發(fā)明首先將兩個金屬刀片平行設(shè)置在待測半導體表面上方，然后向其中一個刀片刃口與待測半導體表面之間的狹縫發(fā)射寬頻電磁波，在待測半導體表面激發(fā)出表面等離子體波，并利用設(shè)置在另一刀片外側(cè)的光譜分析裝置接收耦合出的電磁波；通過調(diào)整寬頻電磁波頻率以及兩個刀片的間距，使得光譜分析裝置剛好不能接收到入射寬頻電磁波的全部頻率信號，記錄下此時光譜分析裝置所能探測到的最大頻率值；將該最大頻率值乘以，即為待測半導體的等離子體頻率。本發(fā)明方法利用表面等離子體波在半導體表面的傳播特性對半導體等離子體頻率進行準確實時地測量，具有實現(xiàn)成本低、對半導體無損傷、測量范圍廣等優(yōu)點。
文檔編號G01N21/55GK102721670SQ201210216218
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月28日
發(fā)明者何浩培, 劉輝, 周馨慧, 李興鰲, 楊濤, 王建云, 蔡祥寶, 黃維 申請人:南京郵電大學