СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ........................................................5
1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ СВЧ-ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ..............................................18
1.1 Электродинамические свойства СВЧ-фотонных кристаллов с различного рода включениями................................18
1.2 Анализ современного состояния исследований применения СВЧ-фотонных кристаллов для создания функциональных устройств СВЧ-электроники............................................32
2 РЕЗОНАНСНАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ ОДНОМЕРНЫХ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ФОТОННЫХ СТРУКТУР И ЕЁ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКИХ И ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ.............................................48
2.1 Математическая модель взаимодействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с одномерными микрополосковыми фотонными структурами................................................48
2.2 Результаты компьютерного моделирования спектров прохождения микрополосковых фотонных структур..........................51
2.3 Результаты компьютерного моделирования спектров прохождения микрополосковых фотонных структур при наличии «нарушения» периодичности в структуре фотонного кристалла..............55
3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ЖИДКИХ И ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ НА СВЧ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОДНОМЕРНЫХ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ФОТОННЫХ СТРУКТУР.....................61
3.1 Измерение диэлектрической проницаемости твердых материалов.62
3.2 Измерение комплексной диэлектрической проницаемости неполярных жидких диэлектриков на СВЧ.................................73
3.3 Измерение комплексной диэлектрической проницаемости полярных жидких диэлектриков на СВЧ.................................77
2
4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ С ОДНОМЕРНЫМИ МИКРОПОЛОСКОВЫМИ ФОТОННЫМИ СТРУКТУРАМИ И их ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКИХ И ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ............................................83
4.1 Результаты экспериментального исследования спектров прохождения микрополосковых фотонных кристаллов...........................83
4.2 Использование микрополосковых фотонных структур для измерения параметров жидких и твердых диэлектриков на СВЧ...............88
4.2.1 Экспериментальное исследование частотных зависимостей коэффициента прохождения микрополосковых фотонных структур с нарушением периодичности в чередовании отрезков микрополосковой линии передачи с большой и .малой шириной полоскового проводника 88
4.2.2 Измерение электрофизических параметров диэлектрических пластин по частотным зависимостям коэффициента прохоэ/сдения микрополосковых фотонных структур с нарушением периодичности в
виде изменения длины или диэлектрической проницаемости материала
подложки одного из отрезков микрополосковой линии...........91
4.2.3 Экспериментальное исследование частотных зависимостей коэффициента прохождения микрополосковых фотонных структур, содержащих неод}юродности в виде кюветы с неполярными жидкими диэлектрикам и..............................................96
4.2.4 Экспериментальное исследование частотных зависимостей коэффициента прохождения микрополосковых фотонных структур, содержащих неоднородности в виде кюветы с полярными жидкими диэлектриками..............................................100
4.2.5 Измерение комплексной диэлектрической проницаемости растворов полярных жидких диэлектриков на СВЧ..............103
5 РЕЗОНАНСНАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ КОРОТКОЗАМКНУТОГО ОТРЕЗКА МИКРОПОЛОСКОВОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ С
ПОДКЛЮЧЕ! ГНЫМ Р—/—Л'--ДИОДОМ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДИЭЛЕКТРИКОВ................................107
5.1 Исследование частотной зависимости коэффициента отражения короткозамкнутого отрезка микрополосковой линии передачи с подключенным р—г—«-диодом......................................109
5.2 Измерение диэлектрической проницаемости твердых диэлектриков с использованием резонансной системы на основе короткозамкнутого отрезка микрополосковой линии передачи с подключенным р—/—п-диодом.........................................................112
5.3 Измерение диэлектрической проницаемости твердых диэлектриков с использованием резонансной системы на основе микрополосковой фотонной структуры с подключенным р—/—и-диодом............120
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................128
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.................................131
4
ВВЕДЕНИЕ
Разработка современных приборов твердотельной микро- и наноэлектроники во многом зависит от уровня развития технологии изготовления полупроводниковых, диэлектрических и металлических слоев, толщиной от нескольких нанометров до десятков микрометров
Для обеспечения технологии производства слоистых структур с высокой степенью совершенства требуется сЪздание высокоточных методов измерений электрофизических параметров диэлектрических и полупроводниковых материалов и структур. Такого рода структуры используются в акустоэлсктронике при создании линий задержки, в микро- и наноэлектронике и других областях.
Одним из требований, предъявляемых к современным методам измерения электрофизических параметров материалов, является использование возможности проводить их бесконтактно, не разрушая, материал и не изменяя его свойства. К бесконтактным методам измерений относятся СВЧ-методы, которые являются оптимальными при исследовании материалов и структур, используемых при создании приборов полупроводниковой СВЧ-электроники [1—19]. Исследования, например, с помощью низкочастотных методов [20—22] могут давать недостаточно информации для конструирования устройств именно сверхвысокочастотного диапазона с заданными характеристиками.
СВЧ-методы измерения различаются по физическим эффектам, на которых они основаны, по типу используемой схемы измерений и по характеру взаимного расположения образца и электродинамической системы. По типу используемой схемы СВЧ-методы делят на волноводные [5, 23—30], мостовые [31], резонаторные [32—42], микрополосковые [43—53].
При использовании волноводных методов [5, 23—30] рассматривается взаимодействие СВЧ-волны, распространяющейся в волноводе, с помещенным в него образцом, и измеряются интенсивности прошедшей и отраженной волн.
Среди различных типов планарных схем микрополосковые являются наиболее часто используемыми в СВЧ-электронике [54—59]. Микрополосковые схемы достаточно широко используются при реализации СВЧ-методов измерения параметров материалов, в частности, материалов подложек плоских СВЧ-линий передачи [43—53].
При измерениях резонаторными методами [32—42] схема настраивается в резонанс изменением размеров электродинамической системы или частоты, генератора. Введение исследуемого образца: в измерительную рсзонаторную систему приводит к смещению резонансной частоты и изменению добротности резонатора, по изменению которых рассчитываются параметры образца. По результатам измерения- изменения характеристик резонатора могут быть определены диэлектрическая проницаемость и электропроводность материала, изменение электропроводности, вызванное наложением магнитного поля, освещением образца и т. д.
Для определения электрофизических параметров диэлектрических и полупроводниковых материалов и структур, нанометровых металлических пленок можно использовать результаты измерений спектров отражения и прохождения взаимодействующего с ними СВЧ-излучения при условии, что известно их теоретическое описание [60—76]. Нахождение электрофизических параметров связано с необходимостью решать обратную задачу [45—47, 64—67].
Использование открытых СВЧ-линий передачи позволяет сочетать достаточно высокую чувствительность СВЧ-методов измерений с технологичностью изготовления структур и оправок для измерения и отсутствием жестких требований на размеры образцов. К недостаткам измерительных систем на открытых линиях передачи можно отнести наличие потерь на излучение на открытых концах передающих линий, неоднородностях, например, связанных с необходимостью использования
6
коаксиально-микрополосковых переходов, трудности в проведении локальных измерений.
Интенсивное развитие нанотехнологий стимулировало разработку и создание нового класса периодических структур, получивших название фотонных кристаллов [77—87]. Фотонный СВЧ-кристалл — это структура, в которой периодически чередуются слои из материалов с различной диэлектрической проницаемостью или толщиной. При этом период чередования слоев сравним с длиной волны распространяющегося в фотонном кристалле электромагнитного излучения. На зависимостях коэффициентов отражения и прохождения от частоты СВЧ-сигнала наблюдаются области полного отражения, частотные области «запрещенные» для распространения электромагнитной волны — аналог запрещенной зоны в кристаллах, и области прохождения СВЧ-волны.
Если нарушить периодичность чередования слоев, к примеру, добавить отдельный слой из материала с другой диэлектрической проницаемостью, то внутри области полного отражения, т.е. в «запрещённой зоне», появится узкое «окно пропускания» — область с минимальным значением коэффициента отражения электромагнитной волны [77, 87—89].
В СВЧ-диапазоне одномерный фотонный кристалл может быть создан как с помощью волноводов с диэлектрическим заполнением [78, 89—92], так и планарных линий передачи с периодически изменяющейся структурой [56, 79—84, 93—95].
Использование микрополосковых и волноводных фотонных СВЧ-кристаллов обеспечивает изменение коэффициента отражения от значений близких к нулю до значений близких к единице в измеряемом диапазоне частот, этим достигается расширение диапазона измеряемых толщин и класса исследуемых материалов, с другой стороны, обеспечивается возможность создания на их основе функциональных устройств СВЧ-электроники в выбранном частотном диапазоне [77, 78, 95—100].
7
В связи с этим является актуальным проведение исследований особенностей взаимодействия электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона с одномерными микрополосковыми фотонными кристаллами, определение чувствительности частотной зависимости «окон» прозрачности в запрещенной зоне фотонного кристалла к параметрам нарушения периодичности, установление возможности расширения диапазона и повышения достоверности измерений электрофизических параметров слоев диэлектрических и полупроводниковых материалов, включенных в состав одномерных микрополосковых фотонных кристаллов в качестве нарушений периодичности, по-спектрам прохождения взаимодействующего с ними излучения сверхвысокочастотного диапазона длин волн.
Цель диссертационной работы:
Выявление особенностей взаимодействия электромагнитного излучения, свсрхвысокочастотного диапазона с одномерными микрополосковыми фотонными кристаллами, содержащими неоднородности в виде слоев твёрдых и жидких диэлектриков, и проведение на этой основе экспериментального и теоретического обоснования возможности измерений их электрофизических параметров в широком диапазоне значений.'
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1 Разработка модели, которая позволяет адекватно описать взаимодействие электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с фотонными кристаллами, реализованными на основе микрополосковой линии передачи с периодически изменяющейся шириной полоскового проводника или диэлектрической проницаемости материала подложки и содержащими нарушения периодичности в виде изменения длины или диэлектрической проницаемости материала подложки одного из отрезков микрополосковой линии;
2 Исследование частотных зависимостей коэффициента прохождения элекгромагнитного излучения, взаимодействующего с микрополосковыми
фотонными кристаллами СВЧ-диапазона, реализованными на основе микрополосковой линии передачи с периодически изменяющейся шириной полоскового проводника или диэлектрической- проницаемости материала подложки и содержащими нарушения периодичности в виде изменения длины или диэлектрической проницаемости материала подложки одного из отрезков микрополосковой линии.
3 Разработка метода решения обратной задачи: определение диэлектрической проницаемости материала образцов, выполняющих роль подложки одного из отрезков микрополоскового фотонного кристалла, по измеренным частотным зависимостям коэффициента прохождения электромагнитного излучения, взаимодействующего с фотонным кристаллом;
4 Экспериментальная реализация методов измерения диэлектрической проницаемости материала образцов, выполняющих роль неоднородности в м икрополосковых фотонных кристаллах, по спектрам прохождения взаимодействующего с ними электромагнитного излучения СВЧ-диапазона;
5 Экспериментальная реализация резонансной системы, на основе микрополоскового фотонного кристалла с подключённым петлевым элементом связи, в центре которого расположен р — / — И -ДИОД, и обоснование возможности её использования в качестве электрически управляемой измерительной системы для определения диэлектрической проницаемости материала образцов, выполняющих роль неоднородности фотонного кристалла.
Новизна исследований; проведенных в ходе диссертационной
работы, состоит в следующем:
1 Разработано теоретическое обоснование возможности измерения параметров материалов образцов, выполняющих роль подложки одного из отрезков структуры микрополоскового фотонного кристалла, а также
9
образцов, находящихся в непосредственной близости над подложкой и полосковым проводником, в широком диапазоне изменения их параметров по спектрам прохождения, взаимодействующего с фотонным кристаллом сверхвысокочастотного излучения.
2 Показано, что при равных значениях электрических длин чередующихся отрезков микрополоскового фотонного кристалла обеспечивается равенство ширин запрещённых зон на частотной зависимости коэффициента пропускания фотонного кристалла СВЧ-диапазона. В-этом случае появление в запрещённой зоне микрополоскового фотонного кристалла «донорных» окон прозрачности, расположенных вблизи верхней частотной границы запрещенной зоны, наблюдается при увеличении электрической длины одного из структурных отрезков микрополоскового фотонного кристалла, а «акцепторных» окон прозрачности, расположенных вблизи нижней частотной границы запрещенной зоны, наблюдается при уменьшении электрической длины одного из структурных отрезков микрополоскового фотонного кристалла.
3 Экспериментально реализованы методы измерения комплексной диэлектрической проницаемости жидких и твердых диэлектриков, выполняющих роль подложки- одного из отрезков структуры микрополоскового фотонного кристалла, по спектрам прохождения взаимодействующего с фотонным кристаллом электромагнитного излучения.
4 Показана возможность эффективного электрического управления параметрами микрополоскового фотонного кристалла с помощью подключённого петлевого элемента связи, в центре которого расположен р-1-п -ДИОД, и обосновано его использование в качестве электрически управляемой измерительной системы для определения диэлектрической проницаемости материала образцов, выполняющих роль неоднородности фотонного кристалла.
Достоверность результатов диссертации обеспечивается качественным и количественным соответствием выводов теории основным результатам, полученным экспериментально, строгостью используемых математических моделей, корректностью упрощающих допущений, сходимостью вычислительных процессов, к искомым решениям, выполнимостью предельных переходов к известным решениям. Достоверность экспериментальных результатов обеспечена применением стандартной измерительной аппаратуры, обработкой экспериментальных данных с использованием стандартных методов.
Практическая значимость полученных результатов заключается в следующем:
1 Реализован метод компьютерного моделирования спектров отражения и прохождения фотонных кристаллов, реализованных на основе микрополосковой линии передачи с периодически изменяющейся шириной полоскового проводника или диэлектрической- проницаемости материала подложки.
2 Разработана программная и аппаратная реализация методов измерения комплексной диэлектрической проницаемости жидких и твердых диэлектриков с использованием микрополосковых аналогов одномерных фотонных кристаллов, по спектрам прохождения взаимодействующего с фотонным кристаллом электромагнитного излучения.
3 Экспериментально реализована электрически управляемая с помощью петлевого элемента связи, в центре которого расположен р-1-п-диод, измерительная система на основе микрополоскового фотонного кристалла, в которой измеряемый образец выполняег роль неоднородности фотонного кристалла.
Основные положения, выносимые на защиту:
1 По измеренным частотным зависимостям коэффициента пропускания электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, взаимодействующего с
И
микрополосковым фотонным кристаллом, при наличии в нём нарушения в виде изменения диэлектрической проницаемости материала подложки одного из отрезков микрополосковой линии, в результате решения обратной задачи при известных параметрах периодически чередующихся’ отрезков возможно определение диэлектрической проницаемости твёрдых и жидких диэлектриков, выполняющих роль неоднородности микрополоскового фотонного кристалла.
2 Чувствительность измерительной системы на основе микрополоскового фотонного кристалла СВЧ-диапазона с подключённым петлевым элементом СВЯЗИ, В центре которого расположен р — I — П “ДИОД, к изменению величины диэлектрической- проницаемости образца, выполняющего роль неоднородности фотонного кристалла, регулируется величиной протекающего через /? — / - п -диод тока.
3 При равных значениях электрических, длин чередующихся отрезков микрополоскового фотонного кристалла1 обеспечивается равенство ширин запрещённых зон на частотной зависимости коэффициента пропускания фотонного кристалла СВЧ-диапазона. Увеличение в этом случае электрической длины одного из структурных отрезков микрополоскового фотонного кристалла приводит к появлению в- запрещённой зоне микрополоскового фотонного кристалла «донорных» окон прозрачности, расположенных вблизи верхней частотной границы запрещенной зоны, а уменьшение электрической длины одного из структурных отрезков микрополоскового фотонного кристалла приводит к появлению «акцепторных» окон прозрачности, расположенных вблизи нижней частотной границы запрещенной зоны.
4 Действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости жидкого диэлектрика, представляющего собой водно-этанольный раствор, при комнатной температуре в диапазоне частот 3,2—3,6 ГГц монотонно убывает с ростом объемной доли этанола, а зависимость мнимой части комплексной диэлектрической проницаемостей этого раствора обладает
отчетливо выраженным максимумом при объемной доле этанола равной ~ 40 %, что обусловлено изменением времён релаксации поляризации раствора с изменением объемной доли этанола.
Апробация работы:
Основные результаты диссертационной работы доложены на:
Международной казахстанско-российско-японской^ научной
конференции и: VI российско-японском семинаре «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения -и наноматериалов: Материалы». Усть-Каменогорск, Казахстан, Восточно-Казахстанский государственный технический университет им. Д. Серикбаева, 24-—25 июня 2008 г. [101];
XVII International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications. Wroclaw, Poland, May 19—21 2008 [102];
18-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-тсхника и телекоммуникационные технологии КрыМиКо:—2008». Севастополь, Крым, Украина, 8—12 сентября 2008 г. [103];
38th European Microwave Conference. Amsterdam, The Netherlands, 27—31 October 2008 [104]; '
Международная научно-техническая конференция «Микроэлектроника и наноинженерия — 2008». Москва, Московский государственный институт электронной техники МИЭТ, 25—21 ноября 2008 г. [105];
Международном Форуме по нанотехнологиям. Москва, 3-—5 декабря
2008 г. [106];
Всероссийской молодежной выставке-конкурсе прикладных исследований, изобретений и инноваций. Саратов, Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского, 27—28 октября
2009 г. [107];
VII Международной российско-казахстанско-японской научной конференции «Перспективные технологии, оборудование и аналитические
- Киев+380960830922