Устройство для измерения параметров полупроводников

 

Изобретение относится к приборам для исследования характеристик полупроводников методом нарушенного полного внутреннего отражения. Цель изобретения - расширение частотного диапазона и диапазона магнитных полей. Устройство содержит генератор СВЧ, соединенный с элементом ввода, выполненным в виде периодической структуры с расположением над ней диэлектрическим волноводом. Элемент вывода выполнен аналогично и подключен к схеме регистрации. На основании элемента полного внутреннего отражения помещен диэлектрический слой. Новым является применение в качестве элементов ввода и вывода периодических структур с диэлектрическими волноводами, причем параметры периодических структур, диэлектрических волноводов, элемента полного внутреннего отражения и диэлектрического слоя связаны определенным соотношением . В связи с чем возникает возможность определения параметров полупроводниковых образцов в коротковолновой части миллиметрового диапазона при ориентации образца в постоянном магните, соответствующей геометрии Фойгга (iTiHo). 4 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (51)5 G 01 N 22/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4801225/09 (22) 12.03.90 (46) 15.05,92. Бюл. № 18 (71) Институт радиофизики и электроники

АН УССР (72)А.А. Вертий, И. Я. Гудым, И. В. Иванченко, Н. А. Попенко, О. Д. Пустыльник, С, И.

Тарапов и В. П, Шестопалов (53) 621.317.39(088.8) (56) ФТТ, 1971, т. 13, с, 2125.

Физика и техника полупроводников, т.

12, ¹ 6, 1978. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ (57) Изобретение относится к приборам для исследования характеристик полупроводников методом нарушенного полного внутреннего отражения, Цель изобретения— расширение частотного диапазона и диапазона магнитных полей. Устройство содерИзобретение относится к приборам для исследования характеристик полупроводников методом нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), а именно к устройствам для исследования спектров магнитоплазменных поверхностных поляритонов и может найти применение в физике и технике сверхвысоких частот.

Известно устройство для измерения параметров полупроводников, предназначенное для измерения параметров слоистых диэлектриков. Основным узлом устройства является элемент ПВО, представляющий собой призму с расположенными под определенными углами элементами ввода и вывода электромагнитной энергии. По изменению жит генератор СВЧ, соединенный с элементом ввода, выполненным в виде периодической структуры с расположением над ней диэлектрическим волноводом. Элемент вывода выполнен аналогично и подключен к схеме регистрации, На основании элемента полного внутреннего отражения помещен диэлектрический слой. Новым является применение в качестве элементов ввода и вывода периодических структур с диэлектрическими волноводами, причем параметры периодических структур, диэлектрических волноводов, элемента .полного внутреннего отражения и диэлектрического слоя связаны определенным соотношением. В связи с чем возникает возможность определения параметров полупроводниковых образцов в коротковолновой части миллиметрового диапазона. при ориентации образца в постоянном магните, соответствующей геометрии Фойгта (К з. Но). 4 ил. коэффициента отражения падающей волны определяются параметры диэлектрического слоя, расположенного под гранью ПВО призмы.

Однако это устройство не может быть применено для исследования характеристик полупроводников, в частности магнитоплазменных поверхностных поляритонов, в виду отсутствия в нем магнитной системы, т. е. имеем ограничения по диапазону магнитных полей. Введение же магнитной системы без ограничения частотного диапазона и диапазона магнитных полей приводит к необходимости создания устройств ввода и вывода специальной конструкции.

1733986

20

30

50 магнитной системы.

В одном из методов НПВО для наблюдения поверхностных фононов элементы ввода и вывода электромагнитной волны оптического диапазона располагались под углом 45 к грани flBO кремниевой призмы.

Исследовался образец-кристалл NaCI. При изменении частоты излучения наблюдался четкий минимум в спектре, частота которого зависела от величины зазора между образцом и призмой.

К недостаткам конструкции относится невозможность ее применения в мм диапазоне. При этом основным моментом, требующим специального решения, является создание элементов ввода и вывода электромагнитной волны, адекватных данному диапазону.

Ближайшим техническим решением (прототипом) является прибор, содержащий магнитную систему, СВЧ-генератор, элемент ПВО, у боковых граней которого расположены волноводные устройства ввода и вывода, диэлектрические слои, с помещенным между ними полупроводниковым образцом, а также схему регистрации. Прибор предназначен для работы в 8 мм диапазоне длин волн, Прототип имеет ограничения по частотному диапазону и диапазону магнитных полей, а именно: по мере, укорочения длины волны (но оставаясь в мм диапазоне длин волн) устройства ввода-вывода в виде прямоугольных волн оводов становятся малоэффективными ввиду необходимости уменьшения апретуры волновода пропорционально длине волны. При этом диаграмма направленности возбудителя расширяется и в измерениях появляется неоднозначность, связанная с углом падения электромагнитной волны на границу диэлектрик-полупроводник, при проведении исследований полупроводников при ориентации Но JK (геометрия Фойгта) большие габариты ячейки, располагающейся в магнитном поле (элемент ПВО с образцом и устройства ввода и вывода), ограничивают возможности системы по проведению исследований в области сильных магнитных полей, Это связано с увеличением габаритов магнитной системы, а следовательно, и ее стоимости. Более того, в некоторых случаях это потребует специальной конструкторской разработки

Целью изобретения является расширение частотного диапазона и диапазона магнитных полей при изучении характеристик полупроводников с помощью поверхностных поляритонов магнитоплазменного типа.

Переход в мм диапазон длин волн позволит исследовать принципиально новые физические механизмы в полупроводниках, наблюдение которых невозможно в оптическом диапазоне, например, магнитоплазменные поляритоны в невырожденных полупроводниках;

Создание оптимальной, с точки зрения геометрических размеров, конструкции измерительной ячейки за счет применения специальных устройств ввода и вывода позволит применить в приборе магнитную систему, изготовление которой не потребует специальной конструкторской разработки.

При этом ее масса, габариты, а следовательно, и стоимость не выходят за рамки систем, применяемых в настоящее время в физических экспериментах. При этом существенным образом расширится диапазон магнитных полей.

Предлагаемое устройство может быть применено не только для исследования магнитооптических поверхностных поляритонов в геометриях Фарадея и Фойгта, но и для изучения поверхностных поляритонов других типов. Более того, измерительная ячейка в виде элемента ПВО с устройствами ввода и вывода может стать основным элементом электродинамической системы новых полупроводниковых приборов, в которых будут использованы свойства возбуждаемых поверхностных поляритонов.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройство для измерения параметров полупроводников, содержащем СВЧ-генератор, выход которого соединен с элементом ввода, связанным с одной боковой гранью ПВО, другая грань элемента ПВО связана с элементом вывода, соединенным с блоком регистрации, диэлектрический слой, расположенный на основании элемента ПВО и служащий для размещения исследуемого образца, магнитную систему, элементы ввода и вывода выполнены в виде периодических структур, между которыми и боковыми гранями элемента ПВО размещены диэлектрические волноводы, при этом параметры диэлектрических волноводов, периодических структур, диэлектрического слоя и элемента ПВО выбираются из соотношения

1>(р — — " ) C0SP+ Slt1Р1 — (p — — "i) >

Йпр (2) где Ea — диэлектрическая проницаемость диэлектрического слоя; я,р — диэлектрическая проницаемость элемента ПВО; 2 p—

1733986 угол при вершине элемента ПВО; P — фазовая скорость волны в диэлектрическом волноводе; к = 1/Л, f — период периодической структуры; Л вЂ” длина волны; и — номер пространственной гармоники.

При этом принципиально важным является выполнение соотношения (2), связывающего воедино все параметры системы, при которых обеспечивается возбуждение в полупроводнике поверхностных поляритонов. Совокупность отличительных признаков в полной мере реализует поставленную цель, Применение элементов ввода и вывода позволяет существенно уменьшить габариты прибора и обеспечить с его помощью проведение исследований в коротковолновой области миллиметрового диапазона длин волн, при сильных магнитных полях и низких температурах. Наиболее полно преимущества предлагаемого устройства для измерения параметров полупроводников реализуются при возбуждении поверхностных поляритонов магнитоплазменного типа при расположении образца в магнитной системе в соответствии с геометрией Фойгта (Но Я, На фиг. 1 изображена конструкция прибора для исследования полупроводников; на фиг. 2 — конструкция предлагаемого прибора для исследования полупроводников; на фиг, 3 — элементы конструкции прибора; на фиг, 4 — диаграмма направленности устройства ввода.

Устройство для измерения параметров полупроводников содержит генератор СВЧ

1, соединяемый посредством волноводнорупорного перехода 2 с устройством ввода

3. Последнее представляет собой периодическую систему 4 с расположенным над ней диэлектрическим волноводом 5. Устройство ввода 3 расположено вблизи боковой грани элемента ПВО 6, параллельно ей, Аналогичным образом расположено устройство вывода 7 вблизи противоположной боковой грани. Его выход подключен к схеме регистрации 8. На грани элемента ПВО помещен диэлектрический слой 9. При этом диэлектрические волноводы 5 присоединены к согласующим нагрузкам 10. Элемент ПВО 6, устройства ввода 3, вывода 7 и диэлектрический слой 9 конструктивно представляют собой радиофизический модуль, расположенный в центральной части магнитной системы сверхпроводящего соленоида.

Из анализа электродинамических характеристик измерительной ячейки прибора следует, что для обеспечения ее работы в режиме возбуждения магнитоплазменных поверхностных поляритонов необходимо выполнение следующего неравенства при фиксированной частоте генератора СВЧ 1:

1 >sin0> пр (4) С другой стороны для устройств ввода и вывода, описываемых в заявке и выполненных в виде периодических структур с расположенными над ними диэлектрическими волноводами, условие излучения формируется следующим образом:

sin y = —

1 Inl (5) где к =1/ Л, 1 — период периодической структуры, — рабочая длина волны, j3 фазовая скорость волны в диэлектрическом волноводе, n — номер пространственной гармоники. При этом выразив угол падения

Она грань ПВО через угол при вершине призмы 2 р и угол падения возбуждающего поля на боковую грань призмы, получим следующее соотношение;

>(1 — — ï)COSp+SIAp 1 — (1 п)2 > р к

Г пр (6) 45 Для конкретной измерительной ячейки, работающей на длине волны Л =2 мм;

P=0,674; пр =9; (=1,5 мм; n= — 1; сд =2,04; 2 р =90, Элементы конструкции измерительной

50 ячейки представлены на фиг, 3.

Диаграмма направленности устройства ввода и вывода приведена на фиг. 4. Наблюдается узкий лепесток диаграммы направленности, перпендикулярном плоскости

55 решетки

Формула изобретения

Устройство для измерения параметров полупроводников, содержащее СВЧ-генератор, выход которого соединен с элеменКхз > Кх2)Кх1 (3)

5 где Кхз — — Епр Кх2 — Enp $1П 0; К 1 =—

С С х С

"Veo, 0 — угол падения электромагнитной волны на грань ПВО призмы; в — частота

СВЧ сигнала; С вЂ” скорость света; е„р

10 диэлектрическая проницаемость призмы:

eo — диэлектрическая проницаемость диэлектрического слоя.

Из соотношения (3) следует неравенство:

1733986 том ввода, связанным с одной боковой гранью элемента полного внутреннего отражения (ПВО), другая грань элемента ПВО связана с блоком регистрации, диэлектрический слой, расположенный на основании элемента ПВО и служащий для размещения исследуемого образца, магнитную систему, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения частотного диапазона и диапазона магнитных полей, элементы ввода и вывода выполнены в виде периодических структур и диэлектрически размещенных между боковыми гранями элемента ПВО и периодическими структурами, при этом их параметры выбираются из соотношения

1 > (— — ) COS p + Sin

1 f где 8д — диэлектрическая проницаемость диэлектрического слоя;

e,ð — диэлектрическая проницаемость элемента ПВО;

2 р — угол при вершине элемента ПВО;

P — фазовая скорость в диэлектрическом волноводе;

K = 1И вЂ” период периодической структуры;

А — длина волны.

1733986

8,ãðîä

700 фиг. Ф

Составитель В.Шестопалов

Редактор М.Васильева Техред М.Моргентал Корректор Н.Ревская

Заказ 1665 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

1733986 (p уГ(И

О, В,град

100 Риг Ф

Составитель В.Шестопалов

Техред М.Моргентал Корректор Н.Ревская

Редактор М.Васильева

3 1665 аказ Тираж Подписное у ГК Т CP

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГК

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101