Ellipsométrie THz de haute précision dans le domaine temporel développée pour les semi-conducteurs à large écart

Image schématique de l’ellipsométrie temporelle Terahertz. Crédit : Université d’Osaka

Dans les applications de dispositifs à semi-conducteurs, il existe une demande croissante de semi-conducteurs avec des concentrations de porteurs très élevées. Les paramètres du matériau semi-conducteur, à savoir la densité et la mobilité des porteurs, sont ce qui détermine principalement les performances du dispositif. Par conséquent, il est important de caractériser avec précision la densité de porteurs et la mobilité d’un semi-conducteur pour le développement de ses applications de dispositifs.

L’utilisation d’ondes THz, ou rayonnement électromagnétique avec des longueurs d’onde d’environ 300 µm et une fréquence d’environ 1 THz, dans le contrôle non destructif des semi-conducteurs n’a cessé de se développer. Les porteurs libres dans un matériau absorbent le rayonnement THz, ce qui permet d’estimer les propriétés électriques des semi-conducteurs à l’aide d’ondes THz.

Des chercheurs de l’Université d’Osaka, en collaboration avec Nippo Precision Co., Ltd., ont développé un système d’ellipsométrie THz dans le domaine temporel (Tera Evaluator®) qui étend la gamme de concentrations de porteurs mesurables par les ondes THz jusqu’à ~10²⁰ cm^-3 et potentiellement supérieur en améliorant la précision de ladite technique optique. Dans l’ellipsométrie THz dans le domaine temporel, des impulsions THz polarisées linéairement sont incidentes sur un échantillon et l’intensité du champ électrique des ondes THz réfléchies en fonction du temps est mesurée. Plus précisément, les ondes réfléchies polarisées dans la direction parallèle (p) et perpendiculaire (s) au plan d’incidence sont intéressants.

Le rapport de la p– et s– les composantes de polarisation fournissent des informations sur la permittivité électrique de l’échantillon, permettant l’évaluation de la densité et de la mobilité des porteurs. En tant que telle, contrairement à la spectroscopie dans le domaine temporel THz, l’ellipsométrie dans le domaine temporel THz ne nécessite pas de mesures de référence à travers une ouverture ou un miroir standard.

Tera Evaluator® utilise une configuration optique d’analyseur à rotation d’échantillons polariseur, dans laquelle l’orientation angulaire de l’analyseur varie de 0° à 360° par incréments de 15°. Cette technique multi-angle est utilisée pour éliminer les erreurs systématiques de l’amplitude et de la phase du champ électrique THz détecté dans l’analyse, qui est nouvellement employée dans l’ellipsométrie THz dans le domaine temporel. Cette nouvelle méthode de correction améliore de plus de dix fois la précision de l’ellipsométrie THz dans le domaine temporel. Par conséquent, la concentration maximale de porteurs qui peut être évaluée est supérieure de plus de 2 ordres de grandeur à celle habituellement rapportée en utilisant d’autres techniques de domaine temporel THz.

À titre de démonstration, les chercheurs ont évalué le semi-conducteur à large espace de nitrure de gallium (GaN), qui est l’un des semi-conducteurs les plus importants sur le plan technologique présents dans divers appareils électroniques de puissance ainsi que dans les appareils 5G. GaN est également le principal matériau candidat pour les futurs appareils 6G fonctionnant au-delà de 100 GHz. Dans un Rapports scientifiques publication, ils montrent que le système d’ellipsométrie dans le domaine temporel THz de haute précision est efficace dans l’évaluation des densités de porteurs jusqu’à 10²⁰-dix²¹ cm^-3 avec supérieur précision et la précision, ce qui a été un défi en utilisant les ondes THz, en particulier à des conductivités très élevées. Les cristaux de GaN étudiés ont été fabriqués à l’aide d’une méthode de croissance cristalline également développée à l’Université d’Osaka, appelée technique d’ensemencement ponctuel via la méthode Na-flux, qui produit des cristaux de GaN de haute qualité.

Le système d’ellipsométrie dans le domaine temporel THz de haute précision devrait être largement utile dans la caractérisation précise et non invasive de divers semi-conducteurs avec des concentrations de porteurs très élevées.

Référence : « Ellipsométrie temporelle térahertz avec une haute précision pour l’évaluation des cristaux de GaN avec des densités de porteurs jusqu’à 10²⁰ cm^-3» 15 septembre 2021, Rapports scientifiques.
EST CE QUE JE: https://doi.org/10.1038/s41598-021-97253-z

Financement : Programme de subventions de soutien à la R&D du METI Monozukuri pour les PME