Quantitative characterization of semiconductor structures with a scanning microwave microscope

Abstract

In this work, our earlier method for measuring resistance R of semiconductor films with a near-field scanning microwave microscope [A. N. Reznik and S. A. Korolyov, J. Appl. Phys. 119, 094504 (2016)] is studied in a 0.1 kΩ/sq < R < 15 kΩ/sq range. The method is based on a microscope model in the form of a monopole or dipole antenna interacting with an arbitrary layered structure. The model fitting parameters are determined from the data yielded by calibration measurements on a system of etalon samples. The performance of the method was analyzed experimentally, using strip-probe and coaxial-probe microscopes in the frequency range of 1-3 GHz. For test structures, we used doped GaN films on the AlO substrate and also transistor structures based on the AlGaN/GaN heterojunction and AlGaAs/GaAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs quantum well with a conducting channel. The obtained microwave microscope data were compared with the results of measurements by the van der Pauw method. At the first stage of the experiment, the calibration etalons were bulk homogeneous samples with different permittivity/conductivity values. In this case, satisfactory agreement between the microscope and the van der Pauw data was obtained with a strip probe on all tested samples in the entire range of R. With a coaxial probe, such accordance was observed only in high-ohmic samples with R > 1 kΩ/sq. The use of GaN film structures as a calibration system helped to increase the accuracy of the coaxial-probe-aided measurement of R to a level of ∼10%.

Резонансная Микроволновая Спектроскопия Полупроводников С Микронным Разрешением

“…Перспективность применения БММ для диагностики полупроводниковых материалов и структур в интересах твердотельной микро-и нано электроники в настоящее время не вызывает сомнений [9]. В соответствующих исследованиях применяются микроскопы как нанометрового [6,[10][11][12][13][14], так и микронного разрешения [15][16][17][18]. С состоянием исследований по БММ можно ознакомиться по обзорам и монографиям [3,9,[19][20][21].…”

“…Дополнительным осложняющим обстоятельством служит тот факт, что параметры моделей зависят от характеристик исследуемого объекта, т.е. должны быть заданы самосогласованно по данным калибровочных измерений [15][16][17][18]29,30]. Тем не менее в настоящее время при помощи классической БММ удается с достаточной степенью точности характеризовать простые объекты с одним подлежащим определению параметром, например, измерять удельную электропроводность объемно однородного материала, либо слоевое сопротивление пленочной структуры [11][12][13][14][15][16][17][18].…”

“…должны быть заданы самосогласованно по данным калибровочных измерений [15][16][17][18]29,30]. Тем не менее в настоящее время при помощи классической БММ удается с достаточной степенью точности характеризовать простые объекты с одним подлежащим определению параметром, например, измерять удельную электропроводность объемно однородного материала, либо слоевое сопротивление пленочной структуры [11][12][13][14][15][16][17][18]. Для более сложных структур, содержащих несколько неизвестных параметров, характеристики объекта могут определяться путем решения обратной задачи, как правило, математически некорректной и нелинейной.…”

Микроволновая Вольт-Импедансная Спектроскопия Полупроводников

“…Измерения выполняются в ближнем поле зонда (антенны), вследствие чего достигается субволновое пространственное разрешение, которое по порядку величины равно линейному размеру апертуры антенны. Микроскопия полупроводниковых структур в микроволновом диапазоне с латеральным разрешением от десятков нанометров до сотен микрометров производилась в работах [9][10][11][12][13][14], где изучалась возможность определения проводимости σ , либо концентрации n 0 . Емкостная чувствительность современных микроволновых микроскопов достигает 1 aF [10].…”

Определение Электрофизических Параметров Полупроводника По Измерениям Микроволнового Спектра Импеданса Коаксиального Зонда

“…Измерения выполняются в ближнем поле зонда (антенны), вследствие чего достигается субволновое пространственное разрешение, которое по порядку величины равно линейному размеру апертуры антенны. Микроскопия полупроводниковых структур в диапазоне от нескольких GHz до THz с латеральным разрешением от десятков nm до 100 µm производилась в работах [4][5][6][7][8][9], где изучалась возможность определения проводимости σ , либо концентрации n 0 . Если на микроволновый зонд дополнительно подать постоянное напряжение смещения U, создающее в окрестности антенны обедненный/обогащенный слой, толщина которого определяется невозмущенной концентрацией n 0 , то появится возможность бесконтактно определить вышеперечисленные электрофизические параметры полупроводника.…”