Устройство для измерения параметров полупроводников Советский патент 1992 года по МПК G01N22/00 

Изобретение относится к приборам для исследования характеристик полупроводников методом нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), а именно к устройствам для исследования спектров магнитоплазменных поверхностных поля- ритонов 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

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.

ч|

со со о

00

о

В одном из методов НПВО для наблюдения поверхностных фононов элементы ввода и вывода электромагнитной волны оптического диапазона располагались под углом 45° к грани ПВО 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 прямоугольныхволноводовстановятсямалоэффективными 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 Н0 J.K (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 магнитной системы.

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, магнитоплаз- менные 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 - Ј)cos + sin«3/l -(Jl|ljz

(2)

где Јd - диэлектрическая проницаемость диэлектрического слоя; епр -диэлектрическая проницаемость элемента ПВО; 2 р угол при вершине элемента ПВО; /3- фазовая скорость волны- в диэлектрическом волноводе; к t/Я, f- период периодической структуры; Я-длина волны; п - номер пространственной гармоники.

При этом принципиально важным является выполнение соотношения (2), связывающего воедино все параметры системы, при которых обеспечивается возбуждение в полупроводнике поверхностных полярито- нов. 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 (iToilQ.

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 волноводно- рупорного 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

и

выполнение следующего неравенства при фиксированной частоте генератора СВЧ 1:

Кхз Кх2Жх1 ,

(3)

где Кхз Ц/епр ; Кх2 % в: Kxi

vЈd;#- угол падения электромагнитной волны на грань ПВО призмы; ш - частота СВЧ сигнала; С - скорость света; епр

пр

диэлектрическая проницаемость призмы; Ed - диэлектрическая проницаемость диэлектрического слоя.

Из соотношения (3) следует неравенство:

1 sin0 (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:

i п

к

(5)

где к / Я , Р - период периодической

структуры, - рабочая длина волны, ft фазовая скорость волны в диэлектрическом

волноводе, п - номер пространственной

гармоники. При этом выразив угол падения

9на грань ПВО через угол при вершине

призмы 2 (f и угол падения возбуждающего

поля на боковую грань призмы, получим

следующее соотношение:

40

1 (-Ј)cos + siny 1 (Ј-Ј)2

(6)

Для конкретной измерительной ячейки,

работающей на длине волны Я 2 мм; /М),674;Јпр 9; 1,5 мм; Јd 2,04; 2 р 90°.

Элементы конструкции измерительной

ячейки представлены на фиг, 3.

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

решетки.

Формула изобретения

Устройство для измерения параметров полупроводников, содержащее СВЧ-гене- ратор, выход которого соединен с элементом ввода, связанным с одной боковой гранью элемента полного внутреннего отра- же ния (ПВО), другая грань элемента ПВО связана с блоком регистрации, диэлектрический слой, расположенный на основании элемента ПВО и служащий для размещения исследуемого образца, магнитную систему, отличающееся 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 ()cosP + -(p-)2

/ИГ

J С1

г Јпр

где Јd диэлектрическая проницаемость диэлектрического слоя;

Јпр - диэлектрическая проницаемость элемента ПВО;

2 р угол при вершине элемента ПВО; /3- фазовая скорость в диэлектрическом волноводе;

к /А - период периодической структуры;

А - длина волны.

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

10

А

н

8

Фи2.2

« iiii iiUjJiUii

УЩДщшшл

сригзГ®1

Редактор М.Васильева

Риг t

Составитель В.Шестопалов

Техред М.МоргенталКорректор Н.Ревская

Заказ 1665ТиражПодписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

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

шшшт

0,8

в,град

.milHli,jill/i.

«...ttfii

liillbb.

ИШ ушмцщ

в,град