Устройство для измерения параметров полупроводников

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 9) .Я6 А 0 51)5 6 01 й ТЕНИЯ ыть истик ла виду т. е. гнит- темы диеобГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Институт радиофизики и электроники АН УССР(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 3. Но). 4 ил,коэффициента отражения падающей волныопределяются параметры диэлектрическогослоя, расположенного под гранью ПВОпризмы. Однако это устройство не может применено для исследования характер полупроводников, в частности магнито менных поверхностных поляритонов, в отсутствия в нем магнитной системы имеем ограничения по диапазону ма ных полей. Введение же магнитной сис без ограничения частотного диапазона апазона магнитных полей приводит к ходимости создания устройств вво вывода специальной конструкции.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 ИаС. 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 волноводов 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 1 К (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 поверхност Г, где еа - ди диэлектриче ская прониц(2) лектрическая проницаемость ого слоя; я,р - диэлектричемость элемента ПВО; 2 р -ных поляритонов магнитоплазменного типа,Переход в мм диапазон длин волн позволит исследовать принципиально новые 5 физические механизмы в полупроводниках, наблюдение которых невозможнов оптическом диапазоне, например, магнитоплазменные поляритоны в невырожденных полупроводниках; 10 Создание оптимальной, с точки зрения геометрических размеров, конструкции измерительной ячейки за счет применения специальных устройств ввода и вывода позволит применить в приборе магнитную си стему, 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 физиче ских экспериментах, При этом существен. ным образом расширится диапазон магнитн ых полей.Предлагаемое устройство может бытьприменено не только для исследования маг нитооптических 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 30 ввода и вывода может стать основным элементом электродинамической системы новых полупроводниковых приборов, в которых будут использованы свойства возбуждаемых поверхностных поляритонов. 35 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 40 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 иссле дуемого образца, магнитную систему, элементы ввода и вывода выполнены в виде периодических структур, между которыми и боковыми гранями элемента ПВО размещены диэлектрические волноводы, при этом 50 параметры диэлектрических волноводов, периодических структур, диэлектрического слоя и элемента ПВО выбираются из соотношения1 .и5 1)( -- )СОЗР+ЗПРугол при вершине элемента ПВО; Р - фазовая скорость волны в диэлектрическом волноводе; к = 1/Л, г - период периодической структуры; А - 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 14,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 необходимовыполнение следующего неравенства при фиксированной частоте генератора СВЧ 1: КхзКх 2)Кх 1 (3) 5 СО г - И,Г . ИГДЕ КхЗ = - Епр, Кх 2 = - Мпр 81 П 0; К 1 = -СС" С"Йд; 0 - угол падения электромагнитнойволны на грань ПВО призмы; щ - частотаСВЧ сигнала; С - скорость света; епр 10 диэлектрическая проницаемость призмы:ед - диэлектрическая проницаемость диэлектрического слоя.Из соотношения (3) следует неравенство:15 1 вопд2 Епр(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: зп у= -1 и(5)где к =1/ Л , 1 - период периодическойструктуры, - рабочая длина волны, ффазовая скорость волны в диэлектрическомволноводе, и - номер пространственнойгармоники, При этом выразив угол паденияОна грань ПВО через угол при вершинепризмы 2 р и угол падения возбуждающегополя на боковую грань призмы, получимследующее соотношение; Гед Епр(6) Формула изобретения Устройство для измерения параметров полупроводников, содержащее СВЧ-генератор, выход которого соединен с элемен 45 Для конкретной измерительной ячейки,работающей на длине волны л, =2 мм;ф=0,674;Япр =9: 1=1,5 мм; и=. - 1; ед =2,04; 2р =90,Элементы конструкции измерительной50 ячейки и редста влен ы на фиг, 3.Диаграмма направленности устройстваввода и вывода приведена на фиг. 4. Наблюдается узкий лепесток диаграммы направленности, перпендикулярном плоскости55 решетки.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 5 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 10 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/й еская пр я;риче вершине з рость в диэ 1( -- ) СОЗ р + ЯП 1 1 где 8 д - диэлектрич электрического слЕпр - диалект элемента ПВО;2 (р - угол при 3 - фазовая ск волноводе;к= 1/Л - пе риотуры;Л - длина волн цаемость диая проницаемост мента ПВО; ектрическом одическои струк1733986 гр иг Составитель В.ШестопаловТехред М Моргентал Корректор Н. Ревская актор М.Васильев ГКНТ ССС я Госуд оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 10 каз 1665 ВНИИуГИ Тираж Подрственного комитета по изобретениям и 113035, Москва, Ж, Раушская наб.,исно ткры