CN102721670B - 一种半导体等离子体频率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体等离子体频率测量方法。本发明首先将两个金属刀片平行设置在待测半导体表面上方，然后向其中一个刀片刃口与待测半导体表面之间的狭缝发射宽频电磁波，在待测半导体表面激发出表面等离子体波，并利用设置在另一刀片外侧的光谱分析装置接收耦合出的电磁波；通过调整宽频电磁波频率以及两个刀片的间距，使得光谱分析装置刚好不能接收到入射宽频电磁波的全部频率信号，记录下此时光谱分析装置所能探测到的最大频率值；将该最大频率值乘以，即为待测半导体的等离子体频率。本发明方法利用表面等离子体波在半导体表面的传播特性对半导体等离子体频率进行准确实时地测量，具有实现成本低、对半导体无损伤、测量范围广等优点。

Description

一种半导体等离子体频率测量方法

技术领域

本发明涉及一种半导体等离子体频率测量方法，利用表面等离子体波在半导体表面的传播特性对半导体等离子体频率进行测量，属于半导体性能参数测量技术领域。

背景技术

半导体产业是电子工业的基础,半导体器件在工业生产与日常生活的各个方面已大量被使用，而半导体器件的发展水平已成为衡量一个国家综合国力的重要标志之一。如今，半导体器件的发展很大程度上依赖于新型的半导体材料的开发。当一个新的材料开发后，需要对该材料特性进行测量。而半导体的等离子体频率是半导体特性中较为重要的一个参数，所以开发一种简单实用的测量半导体等离子体频率的方法就显示得很有必要。

但是，现有的测量半导体等离子体频率所用的方法尚有一些不足之处。比如，有立陶宛的科学家采用10-2000MHz的电磁波和0-32特斯拉的强磁场加在n型的锑化铟和n型的锗上，通过激发霍尔电流（Hall currents）以及磁等离子波（helicon waves）测得载流子浓度和载流子迁移率，根据载流子浓度和载流子迁移率推算等离子体频率（S. Barauskas, Z. Jankauskas, V. Kvedaras, A. Suslov，“Measurement of Charge Density and Mobility in Semiconductors in the Strong Magnetic Field， MEASUREMENT SCIENCE REVIEW, Volume 7, Section 3, No. 1, 2007）。但是，该方法需要用到强磁场，相应实验设备昂贵而难以实现。而且该方法不能对生长于其他物体上面的很薄的一层半导体进行等离子体频率的测量。

当然，还有其他方法，比如可以通过测量半导体的电导率，然后通过一系列运算获得半导体等离子体频率。但这种方法不可避免地需要对半导体进行接触测量，而在接触的过程中，很有可能会对半导体的表面产生损坏。并且，接触电势差也会对最后的测量结果产生影响，所以该方法不能对所有半导体进行测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种半导体等离子体频率测量方法，利用表面等离子体波在半导体表面的传播特性对半导体等离子体频率进行准确实时地测量。

本发明具体采用以下技术方案：

一种半导体等离子体频率测量方法，包括以下步骤：

步骤1、将两个金属刀片：第一刀片和第二刀片，平行设置于待测半导体表面上方，两个刀片的刀身垂直于半导体表面且刃口向下；初始时，设置两个刀片间的距离为2厘米，刀片刃口与待测半导体表面的距离大于0小于等于500微米；由第一刀片的外侧向第一刀片的刃口与待测半导体表面之间的狭缝处发射宽频电磁波；在第二刀片的刀口外侧放置一个光谱分析装置；

步骤2、检查光谱分析装置是否能收到信号，如果没有任何信号被接收到，则逐步减小所发射宽频电磁波的最小频率，直至光谱分析装置可以接收到电磁波信号；

步骤3、如在步骤2的操作过程中，光谱分析装置始终不能收到信号，则逐步减小两个刀片间的距离，并重复步骤2，直至光谱分析装置可以接收到电磁波信号；

步骤4、微调两个刀片刃口与待测半导体表面的距离、入射电磁波的入射角度、光谱分析装置接收出射电磁波的角度，使得光谱分析装置接收到信号的幅度达到最大；

步骤5、逐步减小两个刀片之间的距离，直至光谱分析装置刚好不能接收到入射宽频电磁波的全部频率信号，记录下此时光谱分析装置所能探测到的最大频率值；将该最大频率值乘以

，即为待测半导体的等离子体频率。

半导体的等离子体频率与温度相关，尤其是本征半导体，其等离子体频率受温度影响更大，为了获得半导体等离子体频率的温度特性，进一步地，在步骤5之后还包括：

步骤6、调整待测半导体的温度并重复步骤1至步骤5，得到待测半导体在不同温度下的等离子体频率。

本发明的半导体等离子体频率测量方法可以在空气环境中进行，优选地，整个测量过程在真空或充氮气的环境中进行。

与现有半导体等离子体频率测量方法相比，本发明方法具有以下有益效果：

一、直接对半导体等离子体频率进行测量，不涉及半导体其他参数（如电导率、载流子浓度、载流子迁移率）的计算，可以实现实时测量，测量不需要低温、不需要昂贵设备，具有低成本、高效率等特点。

二、测量过程中不需要接触待测半导体，避免了接触性损伤。

三、对所需测量的半导体频率范围没有限制。

四、由于表面等离子体波在半导体表面传输，所以本发明方法可以用来对固定在其他物体上的半导体进行非破坏性测量。即使是生长出来的很薄一层半导体薄膜，由于表面等离子体波的能量只局域在表面附近，也同样可以测量。同时由于表面等离子体波的传输距离短，该方法可以对表面积较小的半导体进行测量。

附图说明

图1为本发明的半导体等离子体频率测量方法的原理示意图，图中， 1为电磁波，2为待测半导体，31、32为两个平行的金属刀片，4为表面等离子体波，5为温度控制装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明方法的测量原理如图1所示，测量时，按照以下步骤：

步骤1、如图1所示，将两个金属刀片31、32，平行设置于待测半导体2的表面上方，两个刀片的刀身垂直于半导体2上表面且刃口向下；初始时，设置两个刀片间的距离为2厘米，刀片刃口与待测半导体表面的距离大于0小于等于500微米；由刀片31的外侧向刀片31的刃口与待测半导体2上表面之间的狭缝处发射宽频电磁波1；在刀片32的刃口外侧放置一个光谱分析装置，用于探测可能从刀片32刃口处耦合出的电磁波信号。

在步骤1中，入射的宽频电磁波的最高频率高于任何半导体的等离子体频率。当然如果预先知道待测半导体大概的频率范围，宽频电磁波的最高频率只需要大于该频率范围的上限即可。

在步骤1中，宽频电磁波的最低频率与半导体的等离子体频率的相对大小决定了是否可以通过刀片31将部分频率的电磁波耦合为表面等离子体波。

因为表面等离子体波只能在介电常数实部符号相反的两种介质的界面中传播，而空气的介电常数是正的，所以只有当半导体的介电常数的实部

为负数时，表面等离子体波才能在半导体表面激发。半导体的复介电常数可以由如下的Drude模型表达：

上述公式中，

是半导体的复介电常数，ε是半导体复介电常数的实部，ε′是半导体复介电常数的虚部，是半导体的静态介电常数，ω是所传输的电磁波角频率，ω _p 是半导体的等离子体角频率，

是动量驰豫时间。

所以只有当宽频电磁波1的最低频率小于半导体的等离子频率时，待测半导体相对于频率小于等离子体频率的入射电磁波的介电常数的实部为负。部分电磁波才有可能通过刀片31的刃口转化为表面等离子体波4经过待测半导体的表面传播到刀片32的刃口下方，再经过刀片32的刃口耦合回电磁波而被光谱分析装置探测到。

而如果光谱分析装置没有收到信号有两种可能：第一是宽频电磁波1的最低频率没有小于待测半导体2的等离子频率，所以没有表面等离子体波产生，因而收不到信号；第二是宽频电磁波1的最低频率小于待测半导体2的等离子频率，但是所产生的表面等离子体波在传到刀片32的刃口下方前就已经在半导体表面耗尽，所以收不到信号。如果出现这两种情况可以进行下面的步骤2和步骤3。

步骤2、检查光谱分析装置是否能收到信号，如果没有任何信号被接收到，则逐步减小所发射宽频电磁波1的最小频率，直至光谱分析装置可以接收到电磁波信号。

进行这一步的目的是为了应对上面所提到的光谱分析装置没有收到信号的第一种可能。在逐步减小所发射宽频电磁波1的最小频率的同时，也可以改变所发射宽频电磁波1的最大频率，但前提是该最大频率的值必须大于前一次所用宽频电磁波1的最小频率，直至光谱分析装置可以接收到电磁波信号。

步骤3、如在步骤2的操作过程中，光谱分析装置始终不能收到信号，则逐步减小两个刀片间的距离，并重复步骤2，直至光谱分析装置可以接收到电磁波信号。

进行这一步的目的是为了应对上面所提到的光谱分析装置没有收到信号的第二种可能。由于实际测量条件的限制，有时宽频电磁波1的最小频率不能再降低，但是宽频电磁波1的最小频率是小于待测半导体2的等离子频率，之所以光谱分析装置没有收到信号是因为所产生的表面等离子体波在传到刀片32的刃口下方前就已经在待测半导体2表面耗尽。所以适当减小两个刀片间的距离，就可以使得光谱分析装置可以接收到电磁波信号。

步骤4、微调两个刀片刃口与待测半导体表面的距离、入射电磁波的入射角度、光谱分析装置接收出射电磁波的角度，使得光谱分析装置接收到信号的幅度达到最大。

进行该步骤的理由是：当光谱分析装置可以接收到电磁波信号，说明有一部分表面等离子体波的频率小于待测半导体的等离子体频率。因为表面等离子体波的频率越接近半导体的等离子体频率，表面等离子体波在半导体表面的传输距离越短，传输相同距离在半导体表面衰减得越多，所以为了使光谱分析装置检测到最接近待测半导体的等离子体频率的表面等离子体波频率，需要使得两个刀片的耦合效率达到最高。而两个刀片的耦合效率与两个刀片刃口与待测半导体表面的距离、入射电磁波的入射角度、光谱分析装置接收出射电磁波的角度有一定关系。可以通过微调使得光谱分析装置接收到信号的幅度达到最大。

步骤5、逐步减小两个刀片之间的距离，直至光谱分析装置刚好不能接收到入射宽频电磁波的全部频率信号，记录下此时光谱分析装置所能探测到的最大频率值；将该最大频率值乘以

，即为待测半导体的等离子体频率。

进行该步骤的理由是：

在电磁波与表面等离子体波的耦合效率达到最大后逐步减小两个刀片之间的距离，可以找到表面等离子体波中最接近半导体的等离子体频率的频率值。但是两个刀片的距离不能无限制缩短，因为两个刀片太接近后电磁波有可能不经过表面等离子体波的转化而直接被光谱分析装置探测到，这时光谱分析装置可以接收到入射宽频电磁波的全部频率信号。为了避免这种情况发生，可以逐步减小两个刀片之间的距离，直至光谱分析装置刚好不能接收到入射宽频电磁波的全部频率信号为止，记录下此时光谱分析装置所能探测到的最大频率值。

因为表面等离子体波存在于待测半导体与外部气体这两种介质的界面上，而界面上电位移矢量沿表面法线分量连续，此时电矢量大小相同，因而待测半导体介电常数的实部

与外部气体的介电常数实部

相加为零。根据Drude模型，并在接近待测半导体等离子体频率的频段忽略待测半导体内的电子运动衰减，待测半导体的介电常数实部可以近似写成

，式中

为待测半导体的等离子体频率，

为本步骤中所测到的表面等离子体波的最大频率，外部气体的介电常数实部为1，根据上述公式即可推算出待测半导体等离子体频率

为

。

步骤6、调整待测半导体的温度并重复步骤1至步骤5，得到待测半导体在不同温度下的等离子体频率。

半导体的等离子体角频率的表达式为ω _p = [ne ²/(ε ₀ ε _static m ^∗)]^1/2，其中n是半导体的载流子浓度，是半导体的静态介电常数，e是电子电量，ε ₀是真空介电常数，m ^∗是载流子有效质量。当温度升高时，待测半导体的载流子浓度会发生变化，半导体的等离子体频率也会相应变化。因此可以通过调整待测半导体的温度并重复步骤1至步骤5，得到待测半导体在不同温度下的等离子体频率。

为了便于公众理解本发明的技术方案，下面以锑化铟本征半导体作为待测半导体为例来进一步说明。

步骤1、将两个金属刀片：第一刀片和第二刀片，平行设置于锑化铟本征半导体表面上方，两个刀片的刀身垂直于锑化铟本征半导体表面且刃口向下；初始时，设置两个刀片间的距离为2厘米，刀片刃口与待测半导体表面的距离为300微米；由第一刀片的外侧向第一刀片的刃口与待测半导体表面之间的狭缝处发射宽频电磁波，入射波与刀片的夹角为67度；在第二刀片的刀口外侧放置一个光谱分析装置，光谱分析装置的信号接收方向与刀片的夹角也为67度。

步骤2、检查光谱分析装置是否能收到信号，如果没有任何信号被接收到，则逐步减小所发射宽频电磁波的最小频率，直至光谱分析装置可以接收到电磁波信号。

因为待测半导体是锑化铟本征半导体，如果知道锑化铟本征半导体的等离子体频率在太赫兹波段，可以直接将宽频的太赫兹波射到第一刀片的刃口。当然如果不知道其大概频段范围，也可以依次用各种红外光源进行测试。最终，使用了比如输出频率范围为0.1-3THz太赫兹光源。考虑到空气中的水蒸汽对太赫兹波的吸收会影响太赫兹时域光谱装置检测到太赫兹波信号，整个检测过程在真空或充氮气的环境中进行。此时，采用时域光谱分析装置可以在第二刀片的刃口外侧检测到太赫兹波信号。

步骤3、如在步骤2的操作过程中，光谱分析装置始终不能收到信号，则逐步减小两个刀片间的距离，并重复步骤2，直至光谱分析装置可以接收到电磁波信号。

因为0.1THz的太赫兹表面等离子体波在常温下的锑化铟本征半导体表面的传输距离大于两个刀片间的距离，所以光谱分析装置可以收到信号，不需要进行步骤3。当然，如果我们所使用的是频率范围为1-3THz的太赫兹波源，因为1THz的太赫兹表面等离子体波在常温下的锑化铟本征半导体表面的传输距离小于两个刀片间的距离，此时就需要进行步骤3，使得时域光谱分析装置可以探测到太赫兹波信号。

步骤4、微调两个刀片刃口与锑化铟本征半导体表面的距离、入射电磁波的入射角度、光谱分析装置接收出射电磁波的角度，使得光谱分析装置接收到信号的幅度达到最大。

微调后的结果是67度的入射角，67度的出射角，以及300微米的两刀片刃口与锑化铟本征半导体间距可以使得太赫兹时域光谱装置所探测到的太赫兹信号达到最大。这里两个刀片刃口与锑化铟本征半导体表面的距离小于太赫兹表面等离子体波在外部气体中的衰减距离。

步骤5、逐步减小两个刀片之间的距离，直至光谱分析装置刚好不能接收到入射宽频电磁波的全部频率信号，记录下此时光谱分析装置所能探测到的最大频率值为1.4THz；将该最大频率值乘以，即为锑化铟本征半导体的等离子体频率2THz。

半导体的等离子体频率与温度相关，为了获得锑化铟本征半导体等离子体频率的温度特性，进一步地，在步骤5之后还包括：

步骤6、调整待测半导体的温度并重复步骤1至步骤5，得到待测半导体在不同温度下的等离子体频率。比如在-30℃时，测得其等离子体频率为0.9THz。

Claims (3)

1.一种半导体等离子体频率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将两个金属刀片：第一刀片和第二刀片，平行设置于待测半导体表面上方，两个刀片的刀身垂直于半导体表面且刃口向下；初始时，设置两个刀片间的距离为2厘米，刀片刃口与待测半导体表面的距离大于0小于等于500微米；由第一刀片的外侧向第一刀片的刃口与待测半导体表面之间的狭缝处发射宽频电磁波；在第二刀片的刀口外侧放置一个光谱分析装置；

步骤2、检查光谱分析装置是否能收到信号，如果没有任何信号被接收到，则逐步减小所发射宽频电磁波的最小频率，直至光谱分析装置可以接收到电磁波信号；

步骤3、如在步骤2的操作过程中，光谱分析装置始终不能收到信号，则逐步减小两个刀片间的距离，并重复步骤2，直至光谱分析装置可以接收到电磁波信号；

步骤4、微调两个刀片刃口与待测半导体表面的距离、入射电磁波的入射角度、光谱分析装置接收出射电磁波的角度，使得光谱分析装置接收到信号的幅度达到最大；

步骤5、逐步减小两个刀片之间的距离，直至光谱分析装置刚好不能接收到入射宽频电磁波的全部频率信号，记录下此时光谱分析装置所能探测到的最大频率值；将该最大频率值乘以

，即为待测半导体的等离子体频率。

2.如权利要求1所述半导体等离子体频率测量方法，其特征在于，在步骤5之后还包括：

步骤6、调整待测半导体的温度并重复步骤1至步骤5，得到待测半导体在不同温度下的等离子体频率。

3.如权利要求1或2所述半导体等离子体频率测量方法，其特征在于，整个测量过程在真空或充氮气的环境中进行。

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