Измерительная ячейка для исследования СВЧ-свойств дельта-легированных алмазных образцов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»



Приборы и системы измерения

на основе акустических, оптических и радиоволн

УДК 621.396.96

В. В. Витько, А. В. Кондрашов, А. А. Никитин, П. Ю. Белявский, А. Б. Устинов Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет "ЛЭТИ" Дж. Э. Батлер Институт прикладной физики РАН

Измерительная ячейка для исследования СВЧ-свойств дельта-легированных алмазных образцов1

Предложен метод измерения СВЧ-параметров дельта-легированных алмазных образцов в широком диапазоне частот. В основе метода измерения лежит алгоритм Николсона-Росса. Проведено моделирование Б-параметров измерительной ячейки на основе симметричной полосковой линии передачи.

Дельта-легированный алмаз, симметричная полосковая линия

В настоящее время актуальна проблема измерения СВЧ-характеристик структур, созданных на основе искусственно выращенных алмазных пленок с легированным дельта-слоем [1]. Для определения качества алмазной структуры необходимо знать концентрацию носителей заряда и их подвижность. Неразрушающее исследование этих параметров на СВЧ может выполняться резонансными и волноводными методами. Широкую рабочую полосу частот демонстрируют методы на основе линий передач, не имеющих частоты отсечки [2]. Наиболее часто в качестве линии передач используется коаксиальный волновод [3], аналогом которого в тонкопленочном исполнении является симметричная микрополосковая линия.

В настоящей статье представлены разработка и моделирование измерительной ячейки на симметричной микрополосковой линии для исследования СВЧ-свойств дельта-легированных алмазных образцов.

Уровень потерь, вносимых образцом в волнове-дущий тракт, определяется мнимыми частями его комплексных диэлектрической и магнитной прони-цаемостей. В [4] и [5] описан метод расчета указанных проницаемостей по результатам измерения мощностей прошедшей и отраженной волн. По этому методу комплексную диэлектрическую про-

ницаемость можно определить, зная ¿-параметры измеряемой структуры и ее геометрические размеры:

i [с/ (юЬ )] ln (V z )

s = -

(1 + Г)/(1 -Г) '

где с - скорость света; ю - круговая частота; Ь -длина образца;

¿11 + ¿21 "Г .

z =

1 -(( + ¿21 )Г'

Г = 1 -(¿21 + ¿11 )(% -¿11 ) ± (¿11 + ¿21 )-(21 - ¿11)

1 -(¿21 + ¿11 )( - ¿11) (¿11 + ¿21 )-(¿21 - ¿11 ) .

-1

(1)

- коэффициент отражения.

Знак второго слагаемого (1) выбирается так, чтобы модуль коэффициента отражения был меньше единицы. Дальнейшее нахождение ком -плексных магнитных и диэлектрических прони-цаемостей проводится в соответствии с алгоритмом Николсона-Росса [5].

В пространстве, содержащем свободные носители заряда, возникает ненулевой ток проводимости. В этом случае уравнение Максвелла имеет вид

Работа выполнена при государственной финансовой поддержке в рамках гранта Правительства Российской Федерации по Постановлению № 220 (Договор № 14.B25.31.0021 от 26 июня 2013 г.) и гранта РФФИ (№14-02-00 496А).

48

© Витько В. В., Кондрашов А. В., Никитин А. А., Белявский П. Ю., Устинов А. Б., Батлер Дж. Э., 2015

Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2015. Вып. 3

rot H = iasQ je' - i [стДюео )] Ej = /гаеде^E,

где H, E - векторы напряженности магнитного и электрического полей соответственно; eg - диэлектрическая постоянная; е' - действительная часть диэлектрической проницаемости;

ek = е ' - i [стДгаео )]=е'-ie'' (2)

- комплексная диэлектрическая проницаемость, причем е" = ст/(соео ) - ее мнимая часть.

Из (2) получим проводимость дельта-легированного слоя алмазного образца: ст = гаеде '' .

Измерение проводимости позволяет оценить уровень легирования дельта-слоя в экспериментальном алмазном образце. Известно [6], что подвижность электронов в алмазе может достигать

4500 см2/(В • с), а подвижность дырок -

3800 см2/(В • с). Имея представление о подвижности носителей заряда, концентрацию носителей заряда, сосредоточенных в дельта-легированном слое, можно оценить на основе формулы ст = епц, где e - заряд электрона; n - концентрация носителей заряда; ц - подвижность носителей заряда.

В результате проведенной работы было выявлено, что измерительная ячейка для исследования характеристик экспериментальных алмазных образцов, содержащих дельта-слой, наиболее эффективно может быть реализована с помощью симметричной полосковой линии (рис. 1), кото -рая состоит из тонкого металлического проводника прямоугольной формы - полоска, находящегося в диэлектрической среде между двумя заземленными металлическими пластинами. Полоско-вая линия обычно заполняется однородным диэлектриком, но возможно и частичное диэлектрическое заполнение разными диэлектриками. Низшей модой в такой линии является квази-ТЕМ-волна, которая характеризуется отсутствием частот отсечки. Другой особенностью такого волновода является интенсивное проникновение по-

уМеталлизация_

Свободное пространство

71—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—г;

-Алмазный образец -

II I I I I I I I I I I I I I I F

,ельта-легированный слой'

I I I I I I I I I -I-.....

ля электромагнитной волны в окружающий полосок диэлектрик.

Диапазон рабочих частот симметричной полосковой линии определяется, в основном, ее геометрическими размерами, а именно шириной металлического полоска и расстоянием между металлическими экранами [7].

Численное моделирование ^-параметров такой структуры показало возможность измерения свойств алмазных слоев. Моделирование проводилось при следующих условиях: металлические экраны параллельны плоскости алмазного образца и расположены на равном расстоянии от полоска; расстояние между металлическим экраном и полоском равнялось толщине исследуемого образца алмаза. В ходе моделирования рассчитывались передаточные характеристики такой полос-ковой линии при изменении концентрации носителей заряда в дельта-легированном слое алмаза.

Полученные результаты моделирования передаточных характеристик показаны на рис. 2. Изменение концентрации носителей заряда в дельта-слое приводит к изменению частоты, соответствующей минимуму передаточной характеристики, а также соответствующему значению ослабления. Увеличение концентрации носителей заряда приводит к росту значения частоты минимума передаточной характеристики, а также к увеличению значения СВЧ-потерь в исследуемом образце.

На рис. 3, а представлена зависимость частоты минимума передаточной характеристики (/т;п )

от концентрации носителей заряда в дельта-легированном слое, а на рис. 3, б - зависимость ко -эффициента пропускания 5*21 на этой частоте от того же параметра.

Из рис. 3, а следует, что /тп значительно

изменяется в диапазоне концентраций носителей

20 22 —3 заряда 10 „.10 м . При более высоких значениях концентрации носителей заряда более заметным становится изменение ослабления. Таким

521, дБ

-10

-20

-30

10

XV

19

1020 \ \ 10 V/\/

/

10

,21

Л

N = 1022 м-3 \/

^Металлизация

Рис. 1

15.5 15.7 15.9 16.1 16.3 f ГГц Рис. 2

Приборы и системы измерения на основе акустических, оптических и радиоволн

/тт. ГГц 16.00 -15.9615.92 — 15.88-15.841=

1019 1 020 1 021 1022 N. мТ3

а

Рис.

образом, предложенный способ позволяет, измеряя СВЧ-характеристики образцов алмаза, определять концентрацию носителей заряда в дельта-легированном слое.

В заключение отметим, что предлагаемый метод позволяет проводить измерения СВЧ-парамет-ров образцов дельта-легированного алмаза в широком диапазоне частот (практически в интервале

б

3

0.1.. .100 ГГц). В ходе представленной работы проведено моделирование измерительной ячейки. Установлено, что конструкция измерительной ячейки, построенной на симметричной полосковой линии передачи, не ограничивает геометрические размеры образца и обладает высокой чувствительностью к изменению его СВЧ-параметров.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Diamond semiconductor technology for RF device applications / Y. Gurbuz, O. Esame, I. Tekin et al. //Solid-state electronics. 2005. Vol. 49, № 7. P. 1055-1070.

2. Blackham D. V., Pollard R. D. An improved technique for permittivity measurements using a coaxial probe // IEEE Trans. instrum. and meas. 1997. Vol. IM-46, № 5. P. 1093-1099.

3. Baker-Jarvis J. Transmission/reflection and short-circuit line permittivity measurements. Colorado: National institute of standards and technology, 1990. 151 p.

4. Domich P. D., Baker-Jarvis J., Geyer R. G. Optimization techniques for permittivity and permeability determi-

nation // J. res. nation. inst. stand. technol. 1991. Vol. 96, № 5. P. 565-575.

5. Nicolson A. M., Ross G. F. Measurement of the intrinsic properties of materials by time-domain techniques // IEEE Trans. instrum. and meas. 1970. Vol. IM-19, № 4. P. 377-382.

6. High carrier mobility in single-crystal plasma-deposited diamond / J. Isberg, J. Hammersberg, E. Johansson et al. // Science. 2002. Vol. 297, № 5587. P. 1670-1672.

7. Cohn S. B. Optimum design of stepped transmissionline transformers // IRE Trans. 1995. Vol. 3, № 4. P. 16-21.

V. V. Vitko, A. V. Kondrashov, A. A. Nikitin, P. Yu. Belyavskiy, A. B. Ustinov Saint Petersburg state electrotechnical university "LETI" J. E. Butler

Institute of applied physics of the Russian academy of sciences

Measuring cell for microwave properties studying of delta-doped diamond samples

The method of measurement of microwave parameter of delta-doped diamond samples over a broad frequency range is offered. Nicholson-Ross's algorithm is the cornerstone of a method of measurement. The simulation of S-parameters of the measuring cell based on symmetric stripline is carried out.

Delta-doped diamond, symmetric strip line

Статья поступила в редакцию 27 мая 2015 г.