CC BY
35
УДК 543.082/.084
МОДИФИКАЦИЯ СВЧ-МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ УПОРЯДОЧЕННЫХ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЙ В АМОРФНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ
ГОРДИЕНКОЮ.Е., ФАРР.С.
Рассмотрены вопросы повышения чувствительности и локальности при исследовании частичной кристаллизации аморфных фотопроводящих слоев СВЧ-мето-дом.
Современные средства оптической записи, хранения, преобразования и воспроизведения изображений используют фотоприемные среды на основе аморфных полупроводников, высоко полимерных смесей с фотоактивными включениями или гетерогенных слоистых структур [1,2]. В процессе их технологического формирования и эксплуатации имеет место спонтанное или стимулированное различными факторами образование структурно упорядоченных микрообластей. Количественная их характеристика определяет многие эксплуатационные параметры. Это хорошо иллюстрируется примером спонтанной кристаллизации селеновых электрофотографических пластин и барабанов. Появление и рост гексагональной фазы в аморфных слоях Se вначале их сенсибилизирует, а в дальнейшем уменьшает принимаемый заряд и время хранения изображения [1].
В работах [3,4] была теоретически и экспериментально доказана эффективность СВЧ-метода исследования кинетики кристаллизации аморфных слоев селена для прогнозирования стабильности их эксп -луатационных параметров и оптимизации технологии формирования. Развитие техники обработки изображений, применение новых материалов и структур, а также появление новых представлений о физике процессов, происходящих в таких фотоприемных средах, требует модификации СВЧ-метода диагностики. Основные ее направления связаны со следующими факторами и обстоятельствами.
1. Исследуемые в [3,4] и других работах образцы специально приготавливались для размещения внутри СВЧ-резонатора. С этой целью слои Se наносились на диэлектрические подложки. Реальные структуры формируются на проводящих основаниях (алюминиевых, стальных и др.). В связи с этим переходные области могут быть существенно различными по фазовому составу и разным образом будут влиять на формирование и функционирование рабочего слоя. Поэтому для обеспечения СВЧ-исследований на реальных образцах необходимо разработать измерительные преобразователи (ИП) с их наружным расположением.
2. Часто очень важно иметь количественные представления о распределении случайных упорядоченных структурообразований по площади широкоформатных объектов. Для этого локальность СВЧ-измерений должна быть как можно более высокой, сопоставимой с разрешающей способностью фотопроцесса.
3. Современные разработки новых фотоматериалов широко ориентированы на формирование слоисто-гетерогенных структур. Их прообразом может служить система: аморфный Se — гексагональный Se — металлическая подложка. Для СВЧ-исследования таких структур целесообразно иметь возможность изменять ориентацию электрической компоненты СВЧ-поля на 900 относительно плоскости образца.
4. В предыдущих работах не было предусмотрено исключение таких влияющих на процесс измерения факторов, как отклонения геометрии и положения образца от нормы, неидеальности характеристики СВЧ-детектора, долговременной нестабильности мощности задающего СВЧ-генератора.
Учитывая широкую и эффективную практику использования СВЧ-резонаторных ИП с емкостной из- мерительной апертурой для контроля электропроводности полупроводников [5,6], рассмотрим их применение для решения обозначенных выше задач. На рис. 1 представлено схематическое изображение двух вариантов взаимодействия таких ИП со слоистыми полупроводниковыми структурами.
Нетрудно видеть, что рассматриваемый ИП обеспечивает наружное расположение образца, возмож-
Рис. 1. Схематическое изображение СВЧ ИП
ность существенно повысить локальность по сравнению с резонатором на H01n виде колебаний [3,4] и возможность управлять геометрией электрического поля в образце в некоторых пределах. Последнее утверждение качественно аргументируется известным фактом, что “провисание” электромагнитного поля соизмеримо с линейными размерами отверстия [6]. Следовательно, удаляя центральный проводник от края внутрь резонатора, при неэкранирующей структуре образца (рис. 1,а) можно реализовать случай с преобладанием составляющей электрического
РИ, 1997, № 1
43
поля, тангенциальной плоскости образца. А при экранировании слоистого образца закорачивающей металлической пластинкой и компланарной коаксиальной структуре измерительного отверстия (рис. 1б) — случай преобладания нормального компонента.
Для строгого теоретического исследования характеристик таких ИП можно воспользоваться алгоритмом решения соответствующей электродинамической задачи, описанной в [7]. Он базируется на решении интегрального уравнения, вытекающего из граничных условий для тангенциальных компонент поля на границах отверстия S0 и S1. При этом магнитное поле соответствующей моды на S1 связывается с электрическим соотношением:
ТО і
Иф = jro єоєі J j(xY) Ai(x~i ,ю) JE(y ')Ji(xY )Y 'dy 'dx, (1) о R2
но развитое в [5,6] квазистационарное приближение решения задачи приводит к более простому алгоритму численных исследований, базирующихся на выражении для вносимой комплексной емкости:
Свн = Ij0(x R'> - j0(x R2) Ji(x Ri) Ai (x, ~ )dx.(2)
lg(R2 / Ri) о x w
Однако здесь не учитываются процессы экранирования свободных носителей заряда.
В представленных выражениях: J0, J1 — функции Бесселя соответствующего порядка; A1( x ~i ю ) и
A1( x ~i)— функции, зависящие от параметров слоистого образца и определяемые из реккуррентных соотношений, приведенных в работах [6,8]; ю — рабочая частота; є0 — абсолютная диэлектрическая
проницаемость вакуума; є i — комплексная относительная диэлектрическая проницаемость i-го слоя структуры образца.
Для образцов, у которых тангенс угла потерь (/£5) в слоях не превышает 0, 1, квазистационарное приближение дает результат, хорошо совпадающий с вычислениями по более строгому алгоритму. При более высоком значении tg5 можно использовать приближение, основанное на представлении поля (1). Алгоритм вычисления изменения добротности и резонансной частоты ИП будет описан нами в последующей работе. Его применение обеспечивает существенно меньшую по сравнению со строгим решением задачи трудоемкость численных исследований.
При изучении структурообразований в аморфных слоях для определения их удельного содержания и кинетики изменений, как и в предыдущих работах [3, 4], будем пользоваться Максвелл-Вагнеровским механизмом поляризации при расчете эффективной диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь.
На рис. 2 представлены зависимости выходных сигналов рассматриваемого ИП от концентрации сферических включений гексагонального селена (tg5e = 0,5; ег = 8,5) в аморфных слоях (tg5a=410-3; ea = 6,24) различной толщины. Кривые 1,3 на рис. 2 соответствуют толщине образца 100 мкм, 2, 4 — 400 мкм; кривые 1,2 отвечают размеру зазора 10 мкм, 3, 4, — 50 мкм.
Заслуживают внимания следующие их особенности по сравнению с ИП на основе цилиндричекого
44
Д ш
0 0,2 0,4 , 0,6 0,8 N
б
Рис. 2. Зависимости выходных сигналов ИП от концентрации сферических включений
резонатора с Н012 видом колебаний. С одной стороны, оба сигнала сильно зависят от положения образца относительно измерительного отверстия (от величины зазора), в то время как для H0i2 ИП было допустимо отклонение ±10 % от номинального положения вследствие слабого влияния на величину таких сигналов. С другой стороны, чувствительность рассматриваемого И П при исследовании образцов на металлической подложке на несколько порядков выше. Это позволяет проводить их непосредственное исследование и не требует отделения от подложки, как в случае Н012 ИП.
На рис. 3 представлены зависимости комбиниро -ванного сигнала (AQ/0/Аю/о) от концентрации N (обозначения те же, что и на рис. 2). Из них следует, что такой сигнал инвариантен к отклонениям величины зазора от номинала в реальных пределах толщины образца. При этом, как показали отдельные исследования, наблюдается инвариантность к выбору соотношения для описания tg5эфф гетерогенных смесей аморфная матрица—упорядоченные включения с большой проводимостью [8].
Рис. 3. Зависимости комбинированного сигнала от концентрации сферических включений
РИ, 1997, № 1
Из экспериментальных исследований аморфных слоев селена при помощи такого СВЧ ИП установлено, что наличие упорядоченного включения гексагонального селена приводит к появлению сигнала фотопроводимости в области длины волн экспонирующих излучений 0,6...0,75 мкм. Это в свою очередь несет информацию о наличии и содержании гексагональной фазы. Зависимости сигнала фотопроводимости от N представлены на рис. 4 (обозначения те же, что и на рис. 2).
Рис. 4. Зависимости сигнала фотопроводимости от концентрации сферических включений
При нормировании фотовозбуждения с помощью отдельного исследования зависимости времени жиз -ни носителей от Сигнал AQ^/Q позволяет одновременно с измерением N исследовать электрические свойства гексагональной фазы. Сигнал AQ^/Q аппаратно реализуется в виде относительного изменения напряжения AU^/U] на выходе СВЧ-детектора при освещении образца.
Литература: 1. Шнейдман И.Б. Электрофотография на селеновых слоях.-М.: Машиностроение, 1982.— 254 с. 2. Гренишин С.Г. Электрофотографический процесс.- М.: Наука.— 1970.— 375 с. 3. Гордиенко Ю.Е., Костенко В.Л. Кинетика кристаллизации аморфных конденсатов селена// Кристаллография. 1974. №2. С. 352-355. 4. Гордиенко Ю.Е, Костенко В.Л., Мельникова Л.П. Фотокристаллизация аморфных конденсатов селена// Кристаллография.— 1975.— №5.— С. 1003-1005. 5. Ахманаев В.Б., Детинко М.В., Медведев Ю.В. Неразрушающие бесконтактные СВЧ резонаторные методы локального контроля электрофизических параметров полупроводниковых материалов// Дефектоскопия.— 1986.— №1.— С. 23-33. 6. Данилов Г.И., Детинко М.В., Медведев Ю.В. Резонаторный метод измерения удельного сопротивления и толщины эпитаксиальных пленок// Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ.— 1982.— Вып.6.— С. 16-19. 7. Гордиенко Ю.Е. Резонансные измерительные преобразователи в диагностике микрослоистых структур// Радиотехника.— 1996.— Вып. 100.— С. 253-267. 8. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий: Справочник/ Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение.-1986.- С. 173-175.
Поступила в редколлегию 22.12.97
Гордиенко Юрий Емельянович, д-р физ.-мат. наук, профессор, зав. кафедрой микроэлектроники, электронных приборов и устройств ХТУРЭ. Научные интересы: микроэлектроника, неразрушающий контроль материалов и изделий. Адрес: 310726, Украина, Харьков, пр. Ленина, 14, тел.: (0572) 409-362, 321-276.
Фар Раафат Саид, аспирант кафедры МЭПУ ХТУРЭ. Научные интересы: неразрушающий контроль материалов и изделий. Адрес: 310726, Украина, Харьков, пр. Ленина, 14, тел.: (0572) 409-362.
РИ, 1997, № 1
45
