2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.........................................
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ
ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР
НА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ.....................
1.1. Волноводные методы измерения электрофизических параметров полупроводников
1.2. Мостовые методы измерения параметров полупроводников
1.3. Резонаторные методы измерения параметров полупроводников
1.4. Измерение параметров материалов методом волноводнодиэлектрического резонанса
1.5. Автодинные методы измерений
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ
ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИНХРОНИЗИРОВАННОГО
СВЧ-ГЕНЕРАТОРА.................................
2.1.Теория волноводного метода измерения подвижности свободных носителей заряда с использованием эффекта СВЧ-магнитосопротивления
2.2.Модель полупроводникового синхронизированного СВЧ-генератора, работающего в режиме вычитания когерентных сигналов: синхросигнала и выходного сигнала синхронизированного генератора
2.3. Измерение подвижности свободных носителей заряда на
4
14
14
25
31
43
46
48
48
51
основе эффекта СВЧ-магнитосопротивления с использованием полупроводникового синхронизированного СВЧ-генератора
3. РЕЗУЛЬТАТЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
3.1. Компьютерное моделирование характеристик полупроводникового синхронизированного СВЧ-генератора, работающего в режиме вычитания когерентных сигналов: синхросигнала и выходного сигнала
3.2. Компьютерное моделирование схемы измерений подвижности свободных носителей заряда в полупроводниковых структурах с использованием синхронизированного СВЧ-генератора
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ ПОДВИЖНОСТИ СВОБОДНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИНХРОНИЗИРОВАННОГО СВЧ-ГЕНЕРАТОРА..........................
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.........................
ПРИЛОЖЕНИЕ.......................................
4
ВВЕДЕНИЕ
Эффективность производства существующих и успешное создание новых полупроводниковых приборов во многом зависит от уровня развития методов измерений электрофизических параметров полупроводниковых материалов. Чаще всего при измерениях применяются контактные методы, т. е. полупроводники измеряют на постоянном или низкочастотном токе [1-3]. Измерения такими методами производятся при наличии контакта зонда с образцом. Зачастую это приводит к разрушению исследуемого материала. Также при использовании таких методов могут возникать характерные для них нежелательные явления, например, связанная с контактом инжекция носителей заряда в материал, контактная разность потенциалов, возникновение термоЭДС, которые приводят к трудноустранимым погрешностям при измерениях, причем влияние этих эффектов может меняться в зависимости от температуры, что создает трудности при проведении измерений в широком интервале температур. С помощью зондовых методов затруднительно также исследовать образцы малой площади с произвольной геометрией.
Достоинством бесконтактных методов, к которым, помимо прочих, относятся СВЧ-методы, является возможность проводить измерения, не разрушая материал и не изменяя его свойства [4-29]. СВЧ-методы основаны на поглощении электромагнитной энергии свободными носителями заряда, на инерционности носителей в СВЧ-поле, на повороте плоскости поляризации волны при искривлении траектории движения свободных носителей заряда, на резонансном поглощении электромагнитной энергии и других специфических эффектах в полупроводниках на СВЧ. Поскольку изменения коэффициента отражения и передачи, добротности и собственной частоты резонатора, обусловленные внесенным образцом, зависят от параметров этого образца, то эту связь можно использовать для их определения. Преимуществом СВЧ-измерений является возможность проводить
5
на одном образце определение нескольких параметров, измерение которых контактными методами требует создания различных установок и использования разных образцов. При отсутствии контакта появляется возможность вынесения измерительных приборов за пределы области температурного воздействия на полупроводник и, как следствие, измерения свойств полупроводников в широком интервале температур. При использовании СВЧ для измерений становится возможным изучение зависимости тех или иных параметров от частоты. Бесконтактность методов открывает новые возможности для изучения анизотропных эффектов. Из-за возможности приложения сильных электрических полей без использования контактов СВЧ-методы могут быть применены для изучения кинетики разогрева носителей в электрическом поле, так как бесконтактность исключает инжекцию. С помощью данных методов возможно проводить экспрессные измерения, измерение и отбраковку полупроводниковых заготовок ДЛЯ приборов, контроль параметров при термообработке. Измерения с помощью СВЧ очень важны для определения параметров пленочных структур, из-за того, что СВЧ-методы исследования пленок позволяют проводить разносторонние измерения без разрушения пленки, что дает возможность использовать прошедшие измерения образцы для производства приборов.
Следует отметить, что СВЧ-методы являются оптимальными при использовании исследуемых материалов и структур в приборах полупроводниковой СВЧ-электроники, поскольку исследования с помощью зондовых методов могут давать недостаточно информации для конструирования СВЧ-устройств с заданными характеристиками. Преимущества полупроводниковых СВЧ-приборов по сравнению с их вакуумными аналогами придают актуальность разработке новых методов определения параметров полупроводников.
СВЧ-методы классифицируют по физическим эффектам, на которых основаны методы измерения, по типу используемой схемы измерений и по
6
характеру взаимного расположения образца и электродинамической системы. В основе деления СВЧ-методов по физическим принципам лежат эффект поглощения электромагнитной энергии свободными носителями заряда, инерционность носителей в СВЧ-поле, поворот плоскости поляризации волны при искривлении траектории движения носителей заряда, резонансы. По типу используемой схемы СВЧ-методы делят на волноводные, мостовые, резонаторные. Рассматривая взаимное расположение исследуемого образца и электродинамической системы СВЧ-методы делят на методы измерения “проходными” системами, когда образец помешается внутри системы и методы измерения “накладными” системами, когда образец прикладывается к открытому концу СВЧ-тракта, к отверстию в резонаторе или является частью их стенок.
Наиболее распространенными методами являются волноводные и резонаторные. При использовании волноводных методов рассматривается взаимодействие СВЧ-волны, распространяющейся в волноводе с помещенным в него образцом, и измеряются интенсивность прошедшей и отраженной волн. При измерениях резонансными методами схема настраивается в резонанс изменением размеров электродинамической системы или частоты генератора. Эти методы основаны на поглощении электромагнитной энергии свободными носителями заряда и изменении эквивалентных размеров резонатора при помещении в него полупроводника. По результатам определения изменения характеристик резонатора могут быть определены диэлектрическая проницаемость и электропроводность материала, изменение электропроводности, вызванное наложением магнитного поля, освещением образца и т. д. Если зависимость между изменением электропроводности и поглощением в образце является линейной, то можно найти величину времени установления неравновесных процессов в полупроводниках, таких как объемное время жизни неосновных носителей и скорость поверхностной рекомбинации. Введение исследуемого образца в измери-
7
тельную резонаторную систему приводит к смещению резонансной частоты и изменению добротности резонатора, по изменению которых рассчитываются параметры образца.
Одним из методов, основанных на эффекте поглощения электромагнитной энергии, является метод СВЧ-магнитосопротивления, суть которого заключается в определении подвижности свободных носителей заряда но изменению в магнитном поле величины мощности, проходящей через волновод, содержащий полупроводниковую эпитаксиальную структуру.
В настоящей работе исследовалась возможность повышения чувствительности СВЧ-методов измерения подвижности свободных носителей, электропроводности и толщины эпитаксиального слоя полупроводниковых структур, при использовании режима вычитания когерентных сигналов: синхросигнала и сигнала от синхронизированного генератора на диоде Ганна. Использование явления синхронизации позволяет изменять разность фаз между выходным сигналом автогенератора и синхросигналом, регулируя частоту синхросигнала, и таким образом добиваться в схемах сравнения заданной величины мощности выходного сигнала на общфй нагрузке или, в случае почти полного гашения сигнала, резко повысить фазовую чувствительность схемы сравнения.
С учетом вышесказанного была сформулирована цель диссертационной работы:
экспериментальное и теоретическое обоснование возможности повышения чувствительности метода СВЧ-магнитосопротивления к изменению подвижности электронов в полупроводниковых структурах с использованием синхронизированного СВЧ-генератора на диоде Ганна, работающего в режиме вычитания когерентных сигналов: синхросигнала и выходного сигнала.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
8
• разработка модели полупроводникового синхронизированного СВЧ-генератора, работающего в режиме вычитания когерентных сигналов: синхросигнала и выходного сигнала синхронизированного генератора;
• разработка теоретических основ повышения чувствительности метода СВЧ-магнитосопротивления к изменению подвижности электронов в полупроводниковых структурах с использованием синхронизированного СВЧ-генератора на диоде Ганна, работающего в режиме вычитания когерентных сигналов: синхросигнала и выходного сигнала.
• компьютерное моделирование метода измерения подвижности свободных носителей с использованием синхронизированного СВЧ-генератора;
• экспериментальная реализация метода и схемы измерений подвижности свободных носителей заряда в полупроводниковых структурах с использованием синхронизированного СВЧ-генератора на диоде Ганна.
Новизна исследований, проведенных в ходе диссертационной работы, состоит в следующем:
• разработаны теоретические основы повышения чувствительности метода СВЧ-магнитосопротивления к изменению подвижности электронов в полупроводниковых структурах и схема измерений с использование»! синхронизированного СВЧ-генератора на диоде Ганна, работающего в режиме вычитания когерентных сигналов: синхросигнала и выходного сигнала;
• проведено компьютерное моделирование метода измерений подвижности свободных носителей заряда в полупроводниковых структурах с использованием синхронизированного СВЧ-генератора на диоде Ганна;
• экспериментально реализован метод измерения подвижности свободных носителей заряда в полупроводниковых эпитаксиальных структурах с
9
использованием схемы измерений на основе синхронизированного СВЧ-генератора.
Достоверность полученных теоретических результатов обеспечивается строгостью используемых математических моделей, корректностью упрощающих допущений, сходимостью вычислительных процессов к искомым решениям, выполнимостью предельных переходов к известным решениям, соответствием результатов расчета эксперименту. Достоверность экспериментальных результатов обеспечена применением стандартной измерительной аппаратуры, обработкой экспериментальных данных с использованием стандартных методов.
Практическая значимость полученных результатов заключается в следующем:
• обоснована теоретически и реализована экспериментально схема измерений подвижности свободных носителей заряда в полупроводниковых структурах методом СВЧ-магнитосопротивления с использованием синхронизированного СВЧ-генератора на диоде Ганна, работающего в режиме вычитания когерентных сигналов, синхросигнала и выходного сигнала;
• проведен сравнительный анализ погрешностей косвенных измерений подвижности с использованием выражения для методической погрешности косвенных измерений по заданным характеристикам аппаратурных погрешностей измерений мощности СВЧ-сигнала и величины индукции магнитного поля в обычно используемой и в исследуемой схеме измерений, с помощью которой реализуется режим вычитания когерентных сигналов: синхросигнала и выходного сигнала синхронизированного автогенератора;
• измерена подвижность свободных носителей заряда в эпитаксиальных структурах из СаАя с помощью схемы измерений, использующей режим вычитания когерентных сигналов: синхросигнала и выходного сигнала синхронизированного автогенератора.
10
Основные положення, выносимые на защиту:
1. Использование метода измерений на основе синхронизированного генератора на диоде Ганна, работающего в режиме вычитания когерентных сигналов: синхросигнала и выходного сигнала, позволяет повысить чувствительность метода СВЧ-магнитосопротивления к изменению подвижности электронов в полупроводниковых структурах.
2. Величина подвижности свободных носителей заряда в эпитаксиальных полупроводниковых структурах при использовании метода измерений на основе синхронизированного СВЧ-генератора на диоде Ганна может быть определена по измеренным значениям мощностей СВЧ-сигналов, поступающих в нагрузку при наличии магнитного поля и без него, на частоте, соответствующей минимуму мощностно-частотной характеристики в полосе синхронизации.
3. Воздействие магнитного поля на полупроводниковую эпитаксиальную структуру в методе измерений подвижности свободных носителей заряда на основе эффекта СВЧ-магнитосопротивления с использованием синхронизированного генератора приводит к изменению положения минимума на мощностно-частотной характеристике в полосе синхронизации в режиме вычитания когерентных сигналов на общей нагрузке.
4. В методе измерений, в котором реализуется режим вычитания ког ерентных сигналов: синхросигнала и выходного сигнала синхронизированного генератора на диоде Г анна, на порядок и более, увеличивается разность мощностей СВЧ-сигналов, поступающих в нагрузку прц воздействии магнитного поля на полупроводниковую эпитаксиальную структуру в волноводе и без него.
5. Изменение мощности выходного СВЧ-сигнала при изменении толщины и электропроводности эпитаксиального слоя внесенной в волновещный тракт полупроводниковой структуры может быть увеличено на д*а порядка и более, при использовании синхронизированного генератора на
- Київ+380960830922