CN108760528B - 材料特性检测方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种材料特性检测方法。该方法包括：将具有预定形状和尺寸的待测样品固定在预拉伸后的柔性基底上，待测样品由待检测的半导体材料制成；释放预拉伸后的柔性基底，使待测样品与柔性基底同步屈曲；对屈曲后的待测样品进行检测，确定检测结果；根据检测结果确定半导体材料的应变与能带结构之间的关系。本公开实施例所提供的材料特性检测方法，可以简单、快速地确定半导体材料的应变与能带结构之间的关系，缩短了检测材料特性的所需的时间，节约了检测材料特性所需的成本。

Description

材料特性检测方法
技术领域
本公开涉及材料领域，尤其涉及一种材料特性检测方法。
背景技术
半导体材料(semiconductor material)是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。半导体材料的导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1MΩ·cm～1GΩcm范围内。
日常生活中用到的手机、电脑等电子设备均离不开半导体材料。经过数年的发展，半导体材料经历了第一代、第二代以及第三代。其中，第一代半导体以硅(Si)锗(Ge)为代表，主要应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中。第二代半导体材料以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表，适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料，主要应用于通信领域，比如卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS导航等。第三代半导体材料是以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAS)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的—宽禁带半导体材料(禁带宽度大于2.2ev)。第三代半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高及抗辐射能力强的等优点。另外，因其发光效率高、频率高等特点，从而在一些蓝、绿、紫光的发光二极管、半导体激光器等方面也有着广泛的应用。
能带理论(Energy band theory)是讨论晶体(包括金属、绝缘体和半导体的晶体)中电子的状态及其运动的一种重要的近似理论。它把晶体中每个电子的运动看成是独立的在一个等效势场中的运动，即是单电子近似的理论；对于晶体中的价电子而言，等效势场包括原子实的势场、其他价电子的平均势场和考虑电子波函数反对称而带来交换作用，是一种晶体周期性的势场。在能带理论的支持下，可以创造人工改性半导体材料(energy bandengineering，能带工程)。创造人工改性半导体材料通过对材料的物理参数和几何参数的设计和生长，来改变其能带结构和带隙图形，以优化其电学性质和光学性质，采用人工改性半导体材料可以优化电子器件和光电子器件的特性。半导体材料的应变与能带结构之间的关系显得尤为重要，相关技术中，确定半导体材料应变与能带结构关系的方式繁琐复杂，速度慢，耗费时间长。
发明内容
有鉴于此，本公开提出了一种材料特性检测方法。
根据本公开的一方面，提供了一种材料特性检测方法，其特征在于，包括：
将具有预定形状和尺寸的待测样品固定在预拉伸后的柔性基底上，所述待测样品由待检测的半导体材料制成；
释放预拉伸后的柔性基底，使待测样品与柔性基底同步屈曲；
对屈曲后的待测样品进行检测，确定检测结果；
根据检测结果确定所述半导体材料的应变与能带结构之间的关系。
对于上述方法，在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
对预拉伸后的柔性基底进行表面处理，以提高预拉伸后的柔性基底表面的吸附能力。
对于上述方法，在一种可能的实现方式中，将具有预定形状和尺寸的待测样品固定在预拉伸后的柔性基底上，包括：
通过转印的方式，将具有预定形状和尺寸的待测样品固定在预拉伸后的柔性基底上。
对于上述方法，在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
采用掩膜的方式，刻蚀出具有预定形状和尺寸的待测样品。
对于上述方法，在一种可能的实现方式中，所述预定形状包括梯形和/或三角形。
对于上述方法，在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
根据所述待测样品的弹性模量和泊松比、所述柔性基底的弹性模量和泊松比、以及确定的所述柔性基底的预拉伸长度，确定预定形状的所述待测样品的尺寸。
对于上述方法，在一种可能的实现方式中，在所述预定形状为等腰梯形的情况下，根据所述待测样品的弹性模量和泊松比、所述柔性基底的弹性模量和泊松比、以及确定的所述柔性基底的预拉伸长度，确定预定形状的所述待测样品的尺寸，包括：
根据所述柔性基底的弹性模量Es和泊松比vs、以及所述待测样品的弹性模量Ef和泊松比vf、以及对应的预拉伸长度δ，结合如下公式确定所述等腰梯形的尺寸：
其中，εpeak是等腰梯形的所述待测样品在其宽度b(x)处所对应的峰值应变，x是宽度b(x)处到下底之间的距离，L是等腰梯形的高，η是等腰梯形的高L与下底bL的比值，θ是等腰梯形的腰与下底的夹角的余角，b0是等腰梯形的上底的长度。
对于上述方法，在一种可能的实现方式中，对屈曲后的待测样品进行检测，确定检测结果，包括：
对屈曲后的待测样品进行检测，获取屈曲后的待测样品的拉曼光谱和光致发光光谱。
对于上述方法，在一种可能的实现方式中，所述待测样品的长度是所述待测样品的厚度的1000倍～2000倍。
对于上述方法，在一种可能的实现方式中，所述柔性基底的材料包括有机硅材料。
本公开实施例所提供的材料特性检测方法，可以简单、快速地确定半导体材料的应变与能带结构之间的关系，缩短了检测材料特性的所需的时间，节约了检测材料特性所需的成本。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。
图1示出根据本公开一实施例的材料特性检测方法的流程图；
图2示出根据本公开一实施例的材料特性检测方法的流程图；
图3示出根据本公开一实施例的待测样品的屈曲的示意图；
图4示出根据本公开一实施例的材料特性检测方法的流程图；
图5示出根据本公开一实施例的材料特性检测方法的流程图；
图6示出根据本公开一实施例的材料特性检测方法的流程图
图7示出根据本公开一实施例的材料特性检测方法的流程图；
图8示出根据本公开一实施例的材料特性检测方法中待测样品的示意图；
图9示出根据本公开一实施例的材料特性检测方法的应用示例的示意图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
图1示出根据本公开一实施例的材料特性检测方法的流程图。如图1所示，该方法可以包括步骤S11至步骤S14。
在步骤S11中，将具有预定形状和尺寸的待测样品固定在预拉伸后的柔性基底上。其中，待测样品由待检测的半导体材料制成。
在本实施例中，待检测的半导体材料可以是碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAS)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)等禁带宽度大于或等于2.2ev的宽禁带半导体材料，本公开对此不作限制。待测样品和柔性基底之间可以通过范德华力和/或粘结剂进行连接，以使二者可以同步屈曲。
在本实施例中，可以根据待测样品、柔性基底的弹性模量、泊松比以及柔性基底的预拉伸长度等参数，确定待测样品的预定形状和尺寸。本领域技术人员可根据实际需要对待测样品的预定形状和尺寸进行设置，本公开对此不作限制。
在一种可能的实现方式中，预定形状可以包括梯形和/或三角形。
在该实现方式中，预定形状可以是等腰三角形、正三角形、直角三角形、等腰梯形、直角梯形等形状。预定形状还可以是宽度不等的其他形状，例如，半圆形等。这样，在后续同步屈曲过程中，可以向待测样品中引入不同大小的应变，以获得半导体材料不同应变与能带结构之间的关系，满足检测需求。本领域技术人员可以根据实际需要对预定形状进行设置，本公开对此不作限制。
在一种可能的实现方式中，柔性基底的材料可以包括有机硅材料。
在该实现方式中，柔性基底的材料可以是聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，简称PDMS)等有机硅材料，还可以是橡胶等可延展柔性聚合物材料，本公开对此不作限制。
在本实施例中，可以采用机械拉伸、热膨胀等方式对柔性基底进行预拉伸，使其产生满足检测需求的应变。可以根据待测样品的材料的特性、柔性基底的特性等确定柔性基底的预拉伸长度，以便根据预拉伸长度对柔性基底进行预拉伸处理。其中，预拉伸长度是指预拉伸后柔性基底的长度与预拉伸前柔性基底的初始长度的差值。
其中，在机械拉伸的过程中，可以使用拉伸机夹持柔性基底的两端，均匀拉伸柔性基底。在热膨胀加载的过程中，可以利用柔性基底材料的热胀冷缩性质，根据预拉伸程度，由热膨胀系数计算出所施加的温度，实现对柔性基底的预拉伸。且可以根据柔性基底所需拉伸的程度确定所使用的预拉伸方法，在需对柔性基底进行较大程度的预拉伸的情况下，可以使用机械拉伸的方式。在需对柔性基底进行较小程度的预拉伸的情况下，可以使用热膨胀的方式进行预拉伸。
图2示出根据本公开一实施例的材料特性检测方法的流程图。如图2所示，在一种可能的实现方式中，步骤S11可以包括步骤S111。
在步骤S111中，通过转印的方式，将具有预定形状和尺寸的待测样品固定在预拉伸后的柔性基底上。
在该实现方式中，根据柔性基底以及待测样品的材料的不同，可以通过范德华力和/或粘结剂将待测样品固定于预拉伸后的柔性基底上。转印的方法可以包括印章转印法、溶液转印法等。以印章转印法为例，转印可以包括转移和印制两个过程。在转移的过程中，使用印章(可以是PDMS材料制成的)将待转印物体从原基底撕起。在印制过程中，将上述撕起的待转印物体印制到目标基底。本领域技术人员可以根据实际需要对转印的过程进行设置，本公开对此不作限制。
在一种可能的实现方式中，待测样品的长度是待测样品的厚度的1000倍～2000倍。
在该实现方式中，将待测样品的长度设置为待测样品的厚度的1000倍～2000倍，可以使得待测样品的屈曲周期(如图3中所示的待测样品发生屈曲所产生的波的波长)是待测样品的厚度的100倍～200倍。这样，可以保证待测样品能够呈现足够的周期变化，从而满足实验中对待测样品连续的屈曲变化的数量的需求，例如，呈现10～20个周期的连续的屈曲变化。可以根据待测样品的半导体材料、半导体材料的屈曲周期等，对待测样品的长度和厚度进行设置。本领域技术人员可以根据实际需要对待测样品的长度和厚度进行设置，本公开对此不作限制。
在步骤S12中，释放预拉伸后的柔性基底，使待测样品与柔性基底同步屈曲。
在本实施例中，可以采用冷却柔性基底等方式，释放预拉伸后的柔性基底的应变，使得待测样品与柔性基底能够同步屈曲。
由于半导体材料的临界应变为其宽度的函数，因此不同宽度(不同区域)处的半导体材料呈现幅值、波长不同的屈曲结构。图3示出根据本公开一实施例的待测样品的屈曲示意图，如图3所示，半导体材料制成的待测样品12宽度较宽的一侧基本不发生屈曲，宽度较窄的一侧出现比较紧密且幅值较大的屈曲结构，中间区域为屈曲结构的过渡部分。
在步骤S13中，对屈曲后的待测样品进行检测，确定检测结果。
在本实施例中，对屈曲后的待测样品进行检测，获取屈曲后的待测样品在不同宽度(不同区域)的应变值以及不同宽度(不同区域)屈曲结构下待测样品的能带结构特性，将其确定为检测结果。
图4示出根据本公开一实施例的材料特性检测方法的流程图。如图4所示，在一种可能的实现方式中，步骤13可以包括步骤S131。
在步骤S131中，对屈曲后的待测样品进行检测，获取屈曲后的待测样品的拉曼光谱和光致发光光谱。
在该实现方式中，拉曼光谱(Raman spectra)是一种散射光谱，对拉曼光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。根据拉曼光谱可以确定待测样品不同区域的应变值。光致发光光谱(Photoluminescence Spectroscopy，简称PL谱)，指物质在光的激励下，电子从价带跃迁至导带并在价带留下空穴。电子和空穴在各自的导带和价带中通过弛豫达到各自未被占据的最低激发态(在本征半导体中即导带底和价带顶)，成为准平衡态。准平衡态下的电子和空穴再通过复合发光，形成不同波长光的强度或能量分布的光谱图。根据PL谱可以确定不同屈曲结构下半导体材料的能带结构的特性。本领域技术人员可以根据实际需要对检测屈曲后的待测样品的方式进行设置，本公开对此不作限制。
在步骤S14中，根据检测结果确定半导体材料的应变与能带结构之间的关系。
在本实施例中，根据待测样品不同宽度处所检测到的不同的应变值，以及不同宽度处所检测到的不同的能带结构特性，便可以分析出半导体材料的应变与能带结构之间的关系。以便根据确定的半导体材料的应变与能带结构之间的关系，对半导体材料进行调控。
本公开实施例所提供的材料特性检测方法，可以简单、快速地确定半导体材料的应变与能带结构之间的关系，缩短了检测材料特性的所需的时间，节约了检测材料特性所需的成本。
图5示出根据本公开一实施例的材料特性检测方法的流程图。如图5所示，该方法还可以包括步骤S15。
在步骤S15中，对预拉伸后的柔性基底进行表面处理，以提高预拉伸后的柔性基底表面的吸附能力。
在本实施例中，可以采用紫外线(Ultraviolet，简称UV)照射等方法对预拉伸后的柔性基底进行表面处理。例如，以对PDMS制成的柔性基底为例，通过UV照射对PDMS的柔性基底进行表面处理，是对PDMS表面进行活化的过程，在这个活化过程之中，受照射的表层PDMS的-CH3基团氧化分解，而Si-O键被激活，表层的物理化学性质会发生改变，可以提高其吸附能力。同时，采用UV照射对PDMS进行照射，还可以对其表面进行一定程度的清洁，可以去除表面吸附的异物，还可以提高柔性基底的吸附能力。这样，可以更好的实现与待测样品的固定连接，保证二者在释放柔性基底的应变的过程中可以实现同步屈曲。
图6示出根据本公开一实施例的材料特性检测方法的流程图。如图6所示，该方法还可以包括步骤S16。
在步骤S16中，采用掩膜的方式，刻蚀出具有预定形状和尺寸的待测样品。
在本实施例中，可以根据预定形状和尺寸制成掩膜版，而后采用掩膜的方式刻蚀出具有预定形状和尺寸的待测样品。例如，在待刻蚀的半导体材料上生成一层掩膜保护层，并在掩膜保护层上涂布光刻胶。将掩膜版图形转移至光刻胶上，之后将光刻胶图形转移到掩膜保护层上。然后，在掩膜保护层的保护下刻蚀出所需的具有预定形状和尺寸的待测样品，去除掉待测样品上的掩膜保护层。本领域技术人员可以根据实际需要对制造具有预定形状和尺寸的待测样品的方式进行设置，本公开对此不作限制。
图7示出根据本公开一实施例的材料特性检测方法的流程图。如图7所示，该方法还可以包括步骤S17。
在步骤S17中，根据待测样品的弹性模量和泊松比、柔性基底的弹性模量和泊松比、以及确定的柔性基底的预拉伸长度，确定预定形状的待测样品的尺寸。
在本实施例中，根据预定形状的特征，结合待测样品的弹性模量和泊松比、柔性基底的弹性模量和泊松比、以及确定的柔性基底的预拉伸长度，可以确定预定形状的待测样品的尺寸。
图8示出根据本公开一实施例的材料特性检测方法中待测样品的示意图。在一种可能的实现方式中，如图8所示，在预定形状为等腰梯形的情况下，步骤17可以包括：
根据柔性基底的弹性模量Es和泊松比vs、以及待测样品的弹性模量Ef和泊松比vf、以及对应的预拉伸长度δ，结合公式1和公式2确定等腰梯形的尺寸：
其中，εpeak是等腰梯形的待测样品在其宽度b(x)处所对应的峰值应变，x是宽度b(x)处到下底之间的距离。L是等腰梯形的高，η是等腰梯形的高L与下底bL的比值，θ是等腰梯形的腰与下底的夹角的余角，其中，b0是等腰梯形的上底的长度。
举例来说，在确定L的值的情况下，可以设置在x＝0时，εpeak＝0；并且设置在x＝L时，εpeak＝1％。并将以上作为条件带入公式1和公式2。即可获得K、θ，然后便可以获得等腰梯形的尺寸。
需要说明的是，尽管以上述实施例作为示例介绍了材料特性检测方法如上，但本领域技术人员能够理解，本公开应不限于此。事实上，用户完全可根据个人喜好和/或实际应用场景灵活设定各步骤，只要符合本公开的技术方案即可。
应用示例
以下结合“检测半导体材料GaN的特性”作为一个示例性应用场景，给出根据本公开实施例的应用示例，以便于理解材料特性检测方法的流程。本领域技术人员应理解，以下应用示例仅仅是出于便于理解本公开实施例的目的，不应视为对本公开实施例的限制。
图9示出根据本公开一实施例的材料特性检测方法的应用示例的示意图。如图9所示，将待测样品的的形状确定为等腰梯形，确定柔性基底的材料为PDMS。根据GaN的弹性模量和泊松比、PDMS的弹性模量和泊松比、以及确定的柔性基底的预拉伸长度，确定等腰梯形的待测样品的尺寸。
根据确定的等腰梯形的待测样品的尺寸，采用掩膜的方式，刻蚀出所需的待测样品12。采用转印的方式将待测样品12固定在预拉伸后的柔性基底11上。其中，在将待测样品12固定在预拉伸后的柔性基底11上之前，对柔性基底11进行UV照射，以进行表面处理，增加柔性基底11的吸附能力。
冷却预拉伸后的柔性基底11以及其上的待测样品12，释放柔性基底11的应变，使得待测样品12与柔性基底11同步屈曲。对屈曲后的待测样品12进行检测，获取屈曲后的待测样品12的拉曼光谱和光致发光光谱。根据拉曼光谱和光致发光光谱分析，确定GaN的不同应变与能带结构之间的关系。
这样，可以简单、快速地确定GaN的应变与能带结构之间的关系，缩短了检测材料特性的所需的时间，节约了检测材料特性所需的成本。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (7)

1.一种材料特性检测方法，其特征在于，包括：
根据待测样品的弹性模量和泊松比、柔性基底的弹性模量和泊松比、以及确定的所述柔性基底的预拉伸长度，确定预定形状的所述待测样品的尺寸，所述预定形状包括梯形或三角形；
将具有预定形状和尺寸的待测样品固定在预拉伸后的柔性基底上，所述待测样品由待检测的半导体材料制成；
释放预拉伸后的柔性基底，使待测样品与柔性基底同步屈曲；
对屈曲后的待测样品进行检测，确定检测结果；
根据检测结果确定所述半导体材料的应变与能带结构之间的关系，
其中，在所述预定形状为等腰梯形的情况下，根据所述待测样品的弹性模量和泊松比、所述柔性基底的弹性模量和泊松比、以及确定的所述柔性基底的预拉伸长度，确定预定形状的所述待测样品的尺寸，包括：
根据所述柔性基底的弹性模量Es和泊松比vs、以及所述的待测样品的弹性模量Ef和泊松比vf、以及对应的预拉伸长度δ，结合如下公式确定所述等腰梯形的尺寸：
其中，εpeak是等腰梯形的所述待测样品在其宽度b(x)处所对应的峰值应变，x是宽度b(x)处到下底之间的距离，L是等腰梯形的高，η是等腰梯形的高L与下底bL的比值，θ是等腰梯形的腰与下底的夹角的余角，b0是等腰梯形的上底的长度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
对预拉伸后的柔性基底进行表面处理，以提高预拉伸后的柔性基底表面的吸附能力。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将具有预定形状和尺寸的待测样品固定在预拉伸后的柔性基底上，包括：
通过转印的方式，将具有预定形状和尺寸的待测样品固定在预拉伸后的柔性基底上。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
采用掩膜的方式，刻蚀出具有预定形状和尺寸的待测样品。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对屈曲后的待测样品进行检测，确定检测结果，包括：
对屈曲后的待测样品进行检测，获取屈曲后的待测样品的拉曼光谱和光致发光光谱。
6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述待测样品的长度是所述待测样品的厚度的1000倍～2000倍。
7.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述柔性基底的材料包括有机硅材料。
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