ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР С ПОМОЩЬЮ МИЛЛИМЕТРОВЫХ волн

May 4, 2012 by admin Комментировать »

Любченко В. Е., Мериакри В. В., Чигряй Е. Е. Институт радиотехники и электроники Российской Академии наук (ИРЭ РАН) Пл. Введенского, 1, Фрязино – 141190, Московская область, Россия Тел.: 7 (095) 5269266, e-mail: meriakri@ms.ire.rssi.ru

Аннотация – Описана методика измерения комплексного коэффициента преломления тонких полупроводниковых пленок на подложках из высокоомных полупроводников с помощью миллиметровых волн.

I.  Введение

Измерение комплексного коэффициента преломления N=n2+ik2 тонких полупроводниковых пленок (толщиной 12 единицы – доли микрометра), нанесенных на плоско-параллельные подложки из высокоомного полупроводника (толщиной h микрометров) с известным коэффициентом преломления, ni необходимо для контроля таких структур, применяемых в электронной технике [1].

II.  Основная часть

Разработана методика определения величин п2 и к2 таких пленок, основанная на измерении коэффициентов отражения R волны миллиметрового диапазона от исследуемой слоистой структуры, за которой помещается вспомогательная согласующая плоскопараллельная пластина из мало поглощающего миллиметровые волны материала с известным коэффициентом преломления пзи толщиной 1з.

Сформированная плавным рупором плоская волна падает на исследуемую структуру, состоящую из подложки, пленки и вспомогательной пластины. Измеряются коэффициенты отражения R1 и R2 от такой структуры в полосе частот A f при падении волны соответственно со стороны пленки и подложки. Если Ь >Х/2пз, где X – длина волны в свободном пространстве, то при перестройке частоты генератора величины R1 и R2 будут иметь хотя бы один минимум. Величина R™ и частота t™ минимума будет зависеть от параметров исследуемой слоистой структуры, а также оттого, что примыкает к пластине, пленка или подложка.

Связь Rmin и fmin с параметрами пленки описывается соотношениями, которые можно получить, используя известные выражения для комплексного коэффициента отражения R от слоистых структур [2]. Например, для случая, когда со вспомогательной пластиной соприкасается пленка, выражение для коэффициента отражения от такой трехслойной структуры имеет вид

Отметим, что в (1) все величины комплексные. Здесь roi – коэффициент отражения от границы воз- дух-подложка, величина R2 представляет собой коэффициент отражения от двух слоев 12 и 1з в материал слоя 1 (подложка), у;=Р;+а; 0 = 1,2,3) комплексная постоянная распространения волны в i-ом слое структуры, р – фазовый сдвиг в i-ом слое структуры, а а – затухание (по полю) в нем.

В частном случае, когда вместо вспомогательной пластины за исследуемой слоистой структурой помещается металлическое зеркало, Ri= -1. Из приведенных выше выражений следует, что и в этом случае результирующий коэффициент отражения от слоистой структуры R1,2 зависит оттого, какой стороной структура примыкает к зеркалу. Особенно существенным является отличие соответствующих таким ориентациям изучаемой структуры коэффициентов отражения R1 и R2 при толщине подложки h равной нечетному числу четвертей длины волны в материале подложки. При такой, резонансной, толщине вспомогательной пластины и отсутствии резонанса в подложке, а в случае замены вспомогательной пластины металлическим зеркалом – при резонансе в подложке, из соотношения (1) следует, что на резонансных частотах fmin коэффициенты отражения от структуры будут иметь минимальные значения R1min и R min, зависящие от параметров пленки.

Теоретически был рассмотрен случай, когда п-|=3,58 (арсенид галлия), пз=3,73 (никель-цинковый феррит), h=0,53 мм, 1з=3,05 мм, а в качестве пленки толщиной 1 мкм взят материал, коэффициент преломления которого п2 изменялся в пределах от 3,00

до 3,58. При расчете полагалось, что k^ =k2 =kg = 0.

Расчет показал, что разница между R1min и R2min при резонансной длине волны Х=2,07 мм изменялась от 0,4 дБ до 0 дБ при изменении п2 от 3,00 до 3,58, что позволяет по измеренным величинам минимальных коэффициентов отражения при двух ориентациях исследуемой структуры относительно вспомогательной пластины определять значение п2.

Была также экспериментально исследована структура, состоящая из пленки нитрида алюминия (AIN)

толщиной 2,7 мкм на подложке из сапфира Al2 03(z-

срез, n ^ = 3,07, к = 0,035) толщиной 470 мкм. В этом

случае дополнительная пластина из феррита имела

толщину 2,9 мм при Пз=3,73. Из экспериментальных

зависимостей R1/R2, дБ на частотах от 111,1 до –

112,1    ГГц (таблица 1) были найдены отношения коэффициентов отражения R1 и R2 вблизи резонансных частот, что позволило с помощью описанной выше методики определить значения п2 и к2 пленки, оказавшиеся в нашем случае равными n2= к2 = 3.

Таблица 1

f, ГГц

R’/R^, дБ

111,10

-0,2

111,55

-0,8

111,65

-1,3 минимум

111,75

-0,9

111,85

+0,1

112,05

+0,6

Зная пик пленки, можно найти ее удельное сопротивление р. При условии, что co=2jtf « v , где v – частота столкновений носителей заряда в пленке, что соответствует нашему случаю, согласно [1] затухание а, [1/м] постоянно, и величина р может быть найдена из соотношений:

k = oJAiik                                  (2)

n +ik — (в + i в )1/2                   (3)

в = 1 /реосо                            (4)

Здесь в и в – действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости пленки, co=2jtf – круговая частота, во = 8,6854-10′12 Ф/м – электрическая постоянная в системе СИ, р – удельное сопротивление в Ом-м. Из (2), в частности, следует, что к пленки имеет вид к(Х) = к(Хо)-Х, где Хо- некоторое фиксированное значение длины волны в используемом диапазоне волн. В свою очередь, знание величины р для данного материала позволяет найти концентрации носителей пп и пр при известных их подвижностях цп и |1Р. Так, для GaN при комнатной температуре проводимость носит электронный характер и |in=900 cm2V’V1. Тогда из выражения

ст = 1/р =1,6-10 19 пп ц.            (5)

при известных величинах с и jU может быть найдено и значение пп.

I.    Заключение

Показана эффективность методики определения комплексного коэффициента преломления тонких полупроводниковых пленок на подложках из высокоомных полупроводников с использованием вспомогательной согласующей пластины по отношению коэффициентов отражения от такой структуры, измеренным при падении волны соответственно со стороны пленки и подложки.

II.   Список литературы

[1]   Shur М. S., Gaska R., Bykhovski A. GaN – based electronic devices, Solid – State Electronics, 1999, v. 43, pp. 1451- 1458.

[2]   Борн М., Вольф Э. Основы оптики, Изд. Наука, Москва, 1973.

MEASUREMENT OF PARAMETERS OF THIN FILM SEMICONDUCTOR STRUCTURES BY MEANS OF HELP MILLIMETER WAVES

Lyubchenko V. E., Meriakri V. V., Chigrai E. E. Institute of Radioengineering and Electronics Russian Academy of Sciences (IRE RAS)

1,  Vvedenski sq., Fryazino -141190,

Moscow Reg. Russia Tel.: 7 (095) 5269266, e-mail: meriakri@ms.ire.rssi.ru

Abstract – A new method based on application of millimeter waves for measurement of complex refractive index of thin semiconductor films on high resistive substrates is described.

I.  Introduction

Measurements of complex refractive index N=n+ik of thin semiconductor films on semiconductor substrates are important for monitoring such structures applied in electronic devices.

II.  Main part

The method of determination of n and k consists of measurements in millimeter wave frequency range with two reflection coefficients R1 and R2 corresponding to incidence of wave in directions film- substrate-auxiliary matching plate and substrate- film- auxiliary matching plate accordingly. Values of n and к are determined from measured reflection coefficients R1 and R2 in vicinity of their minimum values. Examples of theoretical and experimental investigations are presented.

III.  Conclusion

It was shown that described method allows determining complex refractive index of the film.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты