Особенности взаимодействия электромагнитного излучения свч-диапазона с фотонными структурами, включающими нанометровые металлические, диэлектрические и полупроводниковые слои

На правах рукописи

МЕРДАНОВ МЕРДАН КАЗИМАГОМЕДОВИЧ

ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ СВЧ-ДИАПАЗОНА С ФОТОННЫМИ СТРУКТУРАМИ, ВКЛЮЧАЮЩИМИ НАНОМЕТРОВЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ,
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СЛОИ

05.27.01 – Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

05.12.07 – Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов – 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный
университет имени Н.Г. Чернышевского»

Научные руководители: заслуженный деятель науки РФ,
доктор физико-математических наук,

профессор
Усанов Дмитрий Александрович

доктор физико-математических наук,
профессор
Скрипаль Александр Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор
Коломейцев Вячеслав Александрович

доктор физико-математических наук,

профессор

Попов Вячеслав Валентинович

Ведущая организация: ЗАО «НПЦ «Алмаз-Фазотрон», г. Саратов

Защита диссертации состоится 18 декабря 2009 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, ауд. 1/319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета.

Автореферат разослан « 17 » ноября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Димитрюк А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Уровень развития технологии изготовления слоёв различных материалов толщиной от нескольких нанометров до десятков микрометров во многом определяет эффективность производства существующих и успешное создание новых приборов твердотельной микро- и наноэлектроники [1, 2]. Для достижения высокой степени совершенства слоистых структур и, в частности, структур на основе нанометровых пленок, необходимо использовать высокоточные методы измерений электрофизических параметров диэлектрических и полупроводниковых материалов и структур, металлических пленок.

Достоинством бесконтактных методов, к которым относятся СВЧ-методы, является возможность проводить измерения, не разрушая материал и не изменяя его свойства [3, 4]. СВЧ-методы являются оптимальными при использовании исследуемых материалов и структур в приборах полупроводниковой СВЧ-электроники, поскольку исследования, например, с помощью зондовых методов могут давать недостаточно информации для конструирования именно СВЧ-устройств с заданными характеристиками.

При отработке технологии создания слоистых структур на основе нанометровых пленок, используемых в микро-, акусто- и оптоэлектронике, важно точно измерить физические параметры и толщины диэлектрических, полупроводниковых и металлических слоёв по завершении технологического цикла. Такие измерения желательно производить, не разрушая структуру, например, с использованием СВЧ-излучения [5].

Для определения электрофизических параметров и толщины диэлектрических и полупроводниковых материалов и структур, нанометровых металлических пленок можно использовать результаты измерений спектров отражения и прохождения взаимодействующего с ними СВЧ-излучения при условии, что известно их теоретическое описание. Нахождение электрофизических параметров слоистых структур по спектрам отражения и прохождения электромагнитной волны связано с необходимостью решать обратную задачу [6].

Интенсивное развитие нанотехнологий стимулировало разработку и создание нового класса периодических структур, получивших название фотонных кристаллов. Эти структуры состоят из периодически расположенных составляющих, размеры которых сравнимы с длиной волны распространяющегося в них электромагнитного излучения. В спектре пропускания таких структур имеется частотная область, запрещенная для распространения электромагнитной волны – аналог запрещенной зоны в кристаллах. При наличии нарушений в периодичности слоистой структуры в запрещенной зоне фотонного кристалла могут возникать узкие «окна» прозрачности [7].

В СВЧ-диапазоне одномерный фотонный кристалл может быть реализован как с помощью волноводов с диэлектрическим заполнением, так и планарных линий передачи с периодически изменяющейся структурой [8].

Использование фотонного кристалла, с одной стороны, обеспечивает изменение коэффициента отражения от значений, близких к нулю, до значений, близких к единице, в измеряемом диапазоне частот, чем достигается расширение диапазона измеряемых толщин и класса исследуемых материалов, с другой стороны, обеспечивает возможность проведения измерений в выбранном частотном диапазоне.

В связи с этим являются актуальными проведение исследований особенностей взаимодействия электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона с одномерными волноводными фотонными кристаллами, установление возможности расширения диапазона и повышения достоверности измерений электрофизических параметров и толщин тонких нанометровых металлических пленок, слоев диэлектрических и полупроводниковых материалов, включенных в состав одномерных волноводных фотонных кристаллов в качестве нарушений периодичности слоистой структуры, по спектрам отражения и прохождения взаимодействующего с ними излучения сверхвысокочастотного диапазона длин волн.

Цель диссертационной работы: исследование особенностей взаимодействия электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона с одномерными волноводными фотонными кристаллами, содержащими неоднородности в виде нанометровых металлических плёнок, слоёв диэлектрических и полупроводниковых материалов, и проведение на этой основе экспериментального и теоретического обоснования возможности измерений их параметров в широком диапазоне значений.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Разработка модели, которая позволяет адекватно описать взаимодействие электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с многослойными структурами, представляющими собой одномерные волноводные фотонные кристаллы, содержащие неоднородности в виде нанометровых металлических плёнок, слоёв диэлектрических и полупроводниковых материалов;
2. Разработка метода решения обратной задачи: определения параметров металлических, полупроводниковых и диэлектрических слоев в многослойных структурах, представляющих собой одномерные волноводные фотонные кристаллы, по спектрам отражения и прохождения взаимодействующего с ними электромагнитного излучения;
3. Экспериментальная реализация методов измерения электропроводности, толщины и диэлектрической проницаемости слоев в многослойных структурах, представляющих собой одномерные волноводные фотонные кристаллы, в широком диапазоне изменения параметров слоев по спектрам отражения и прохождения взаимодействующего с ними электромагнитного излучения.

Новизна исследований, проведенных в ходе диссертационной работы, состоит в следующем:

1. Описано появление в запрещенной зоне волноводного фотонного кристалла «донорных» или «акцепторных» окон прозрачности, расположенных вблизи верхней или нижней частотных границ запрещенной зоны, соответственно, при нарушении периодичности в виде изменения толщины или диэлектрической проницаемости одного из слоёв одномерного волноводного фотонного кристалла.
2. Показано, что для достижения минимальной величины коэффициента отражения от одномерного волноводного фотонного кристалла на центральной частоте окна прозрачности при фиксированном числе слоев необходимо создание нарушения периодичности в центре волноводного фотонного кристалла.
3. Разработано теоретическое обоснование возможности измерения параметров диэлектрических материалов, а также слоистых структур металл-полупроводник, металл-диэлектрик, входящих в состав одномерных волноводных фотонных кристаллов, в широком диапазоне изменения их параметров по спектрам отражения и прохождения взаимодействующего с фотонными кристаллами сверхвысокочастотного излучения.
4. Установлено, что расширение диапазона толщин металлических пленок (до нескольких тысяч нанометров), входящих в состав фотонной структуры, в котором коэффициент отражения от фотонной структуры не достигает насыщения, обеспечивается увеличением диэлектрической проницаемости слоев волноводного фотонного кристалла.
5. Экспериментально реализованы методы измерения электропроводности, толщины и диэлектрической проницаемости слоистых структур, входящих в состав одномерных волноводных фотонных кристаллов, по спектрам отражения и прохождения взаимодействующего с ними электромагнитного излучения.

Достоверность результатов диссертации обеспечивается качественным и количественным соответствием выводов теории основным результатам, полученным экспериментально, строгостью используемых математических моделей, корректностью упрощающих допущений, сходимостью вычислительных процессов к искомым решениям, выполнимостью предельных переходов к известным решениям. Достоверность экспериментальных результатов обеспечена применением стандартной измерительной аппаратуры, обработкой экспериментальных данных с использованием стандартных методов.

Практическая значимость полученных результатов заключается в следующем:

1. Реализован метод компьютерного моделирования спектров отражения и прохождения одномерных волноводных фотонных структур СВЧ-диапазона, содержащих неоднородности в виде нанометровых металлических плёнок, слоёв диэлектрических и полупроводниковых материалов.
2. Разработаны методы измерения параметров металлических плёнок, слоёв диэлектрических и полупроводниковых материалов с использованием одномерных волноводных фотонных кристаллов в широком диапазоне изменения параметров исследуемых структур по спектрам отражения и прохождения СВЧ-излучения, взаимодействующего с системой «волноводный фотонный кристалл — измеряемая структура» » (патент РФ RU 2326368 C1 на изобретение «Способ измерения электрофизических параметров структуры «нанометровая металлическая пленка – полупроводниковая или диэлектрическая подложка»).
3. Разработана программная и аппаратная реализация методов измерения электропроводности, толщины и диэлектрической проницаемости слоев в структурах «металл-полупроводник», «металл-диэлектрик», диэлектрической проницаемости диэлектрических материалов, входящих в состав одномерных волноводных фотонных кристаллов, по спектрам отражения и прохождения взаимодействующего с ними электромагнитного излучения.
4. Результаты диссертационной работы использованы в МИЭТ (ТУ), г. Москва, МАИ, г. Москва, ОАО «НИИ «Феррит-Домен», г. Санкт-Петербург, ОАО «НПК «ТРИСТАН», г. Москва при создании компьютерного комплекса для измерения толщины микро- и нанометровых пленок.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Создание в одномерном волноводном фотонном кристалле нарушений периодичности в виде изменения толщины или диэлектрической проницаемости одного из слоёв в запрещенной зоне волноводного фотонного кристалла приводит к появлению «донорных» или «акцепторных» окон прозрачности, расположенных вблизи верхней или нижней частотных границ запрещенной зоны, соответственно.
2. Минимальная величина коэффициента отражения от одномерного волноводного фотонного кристалла на центральной частоте окна прозрачности при фиксированном числе слоев достигается при создании нарушения периодичности в центре волноводного фотонного кристалла.
3. Чувствительность коэффициента отражения электромагнитного излучения к изменению величины диэлектрической проницаемости слоя, создающего дополнительное нарушение периодичности фотонного кристалла, зависит от толщины слоя неоднородности.
4. При увеличении диэлектрической проницаемости слоев волноводного фотонного кристалла расширяется диапазон толщин металлических пленок с фиксированной электропроводностью, входящих в состав фотонной структуры, в котором коэффициент отражения от фотонной структуры не достигает насыщения.
5. По измеренным частотным зависимостям коэффициента отражения электромагнитного излучения от волноводных фотонных кристаллов при наличии нарушения периодичности измеряемого образца в результате решения обратной задачи при известных параметрах периодически чередующихся слоев возможно определение диэлектрической проницаемости диэлектриков, электропроводности или толщины нанометровых металлических слоёв на диэлектрических или полупроводниковых подложках.

Апробация работы:

Основные результаты диссертационной работы доложены на:

• Международном Форуме по нанотехнологиям. Москва, 3–5 декабря 2008 г.
• 38th European Microwave Conference. Amsterdam, the Netherlands. 27–31st October 2008.
• VII Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов». Самара, 15–21 сентября 2008 г.
• I Международной казахстанско-российско-японской научной конференции и VI российско-японском семинаре. Усть-Каменогорск, 24–25 июня 2008 г.
• 17th International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications. Poland, Wroclaw, May 19-21, 2008 г.
• 37th European Microwave Conference. Munich, Germany. 8–12th October 2007 г.
• 17-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Севастополь, Крым. Украина. 10-14сент.2007 г.
• VI Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов». Казань. 17 – 21 сентября 2007 г.
• V российско-японском семинаре «Оборудование, технологии и аналитические системы для материаловедения, микро- и наноэлектроники». Саратов, июнь 2007 г.

Исследования выполнялись в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы ГК № 02.513.11.3058, задания Федерального агентства по образованию № государственной регистрации НИР: 0120.0 603189, контракта № 4000-С/08 по научно-технической программе Союзного государства, № государственной регистрации 01200705158.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК; 9 работ опубликованы в сборниках конференций, 1 патент РФ на изобретение.

Личный вклад автора выразился в участии в проведении всего объема экспериментальных работ, в создании теоретических моделей, описывающих результаты экспериментов, проведении компьютерного моделирования и анализе полученных результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка использованной литературы. Работа изложена на 147 страницах, содержит 62 рисунка, список использованной литературы включает 244 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулирована цель работы, приведены основные положения, выносимые на защиту, описаны структура и объем работы.

В первом разделе проведен критический анализ современных исследований характеристик материалов и структур на сверхвысоких частотах.

Во втором разделе представлена теоретическая модель, описывающая взаимодействие электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с одномерными волноводными фотонными структурами, в том числе содержащими диэлектрические и проводящие нанометровые слои, и позволяющая рассчитывать коэффициенты отражения и прохождения СВЧ-излучения для таких структур.

Для расчета коэффициентов отражения и прохождения электромагнитной волны при её нормальном падении на одномерный фотонный волноводный кристалл, представляющий собой многослойную структуру (рис. 1), использовалась матрица передачи волны между областями с различными значениями постоянной распространения электромагнитной волны и , которая связывает коэффициенты , и , , определяющие амплитуды падающих и отраженных волн по обе стороны от границы :

.

Коэффициенты и , определяющие амплитуды волны, прошедшей через многослойную структуру (рис. 1), и волны, отраженной от нее, связаны с коэффициентом , определяющим амплитуду падающей волны, следующим соотношением:

, (1)

, (2)

где – матрица передачи слоистой структуры, состоящей из слоев (рис. 1).

Рис. 1. Слоистая структура, состоящая из слоев

Для расчета постоянных распространения электромагнитной волны соответственно в пустом волноводе, волноводе, заполненном диэлектриком, металлической пленкой и полупроводником, использовались следующие выражения:

, , ,

где и – диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума; – комплексная диэлектрическая проницаемость полупроводникового слоя и тонкой металлической пленки; , – действительная и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости полупроводникового слоя и тонкой металлической пленки; и – относительная диэлектрическая и магнитная проницаемость решетки полупроводниковой подложки и металлического слоя соответственно; – электропроводность полупроводниковой подложки и металлического слоя, , – эффективная масса и концентрация электронов в полупроводниковой подложке и металлическом слое;  – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрического слоя.

Коэффициенты отражения и прохождения электромагнитной волны, взаимодействующей со слоистой структурой, определяются через элементы матрицы передачи с помощью соотношений:

, . (3)

Полученные соотношения были использованы для нахождения значений коэффициентов отражения и прохождения при взаимодействии электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с одномерными волноводными фотонными структурами.

На рис. 2 представлены результаты расчетов спектра отражения фотонного кристалла при наличии в нем нарушения в виде измененной толщины среднего слоя. Показано, что создание описанных выше нарушений в одномерных волноводных фотонных кристаллах приводит к появлению в «запрещенной зоне» волноводной фотонной структуры «донорных» окон прозрачности, расположенных вблизи верхней частотной границы «запрещенной зоны» (рис. 2, кривая 5), или «акцепторных» окон, расположенных вблизи нижней частотной границы «запрещенной зоны» (рис. 2, кривая 2). При этом частотное положение «окна» прозрачности – «глубина залегания» – определяется параметрами нарушения.

Рис. 2. Спектры отражения 11-слойного фотонного кристалла «поликор-пенопласт» для различных значений толщины нарушенного 6-го слоя (слой пенопласта): Кривая 1 соответствует фотонному кристаллу без нарушения. , мм: 2– 7.0, 3–4.0, 4–3.0, 5–1.0

Следует отметить, что, как показывает компьютерное моделирование, размещение нарушения в центре фотонного кристалла приводит к появлению «окна» прозрачности с минимальным значением коэффициента отражения в минимуме «окна» и с максимальной добротностью. Смещение нарушения от центра фотонного кристалла к краю приводит к уменьшению добротности «окна» прозрачности и увеличению значения коэффициента отражения в минимуме «окна» прозрачности вплоть до полного исчезновения «окна».

Исследованы спектры отражения фотонных кристаллов при внесении в него неоднородности в виде двухслойной структуры, представляющей собой полупроводниковую или диэлектрическую пластину с нанесенным на неё нанометровым металлическим слоем. Показано, что частотная зависимость коэффициента отражения в «окне» прозрачности такого модифицированного фотонного кристалла определяется толщиной и электропроводностью металлического слоя (рис. 3).

При увеличении диэлектрической проницаемости слоев волноводного фотонного кристалла расширяются диапазоны толщины и электропроводности

	нанометровых металлических пленок, включенных в его состав, для которых коэффициент отражения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона от фотонной структуры не достигает насыщения (рис. 4). Представлены результаты компьютерного моделирования спектров отражения одномерных волноводных фотонных кристаллов с различным числом звеньев. В третьем разделе представлено теоретическое обоснование метода измерения параметров диэлектриков, полупроводников и слоистых структур типа «металл–полупровод­ник» и «металл–диэлектрик» в широком диапазоне изменения этих параметров по спектрам отражения и прохождения электромагнитного излучения с использованием одномерных волноводных фотонных структур. Практически важной задачей микро- и наноэлектроники является задача одновременного определения таких параметров полупроводниковых пластин, используемых в качестве подложек интегральных микросхем, как диэлектрическая проницаемость и электропроводность (то есть, комплексной диэлектрической проницаемости) в широком диапазоне их изменения. Измерение диэлектрической проницаемости и электропроводности образца, по спектрам отражения электромагнитного излучения, при использовании метода наименьших квадратов, для этого случая основано на решении системы уравнений (4)
Рис. 3. Спектры отражения фотонного кристалла для различных значений толщины h металлического слоя при размещении фотонного кристалла перед измеряемой структурой. Кривая 1 — без измеряемой структуры. h, нм: 2 – 0, 3 – 4.0, 4 – 20, 5 – 50, 6 – 200
Рис. 4. Зависимости квадратов модулей коэффициентов отражения фотонного кристалла при наличии в нем нарушения в виде 6-го слоя (пенопласт) меньшей толщины (d6=0.5 мм) от толщины металлического слоя при размещении фотонного кристалла перед измеряемой структурой на различных частотах . , ГГц: 1– 8.995, 2– 9.01, 3– 9.02, 4– 9.03, 5– 9.04, 6– 9.05

для функции невязок вида . (5)

Моделировалось измерение диэлектрической проницаемости кремниевой пластины толщиной 0.5 мм по спектру отражения в 8-миллиметровом диапазоне длин волн при размещении её в качестве центрального слоя волноводного фотонного кристалла, состоящего из 11 чередующихся слоёв поликора толщиной 1 мм и пенопласта толщиной 1 мм, и представляющей собой нарушение периодичности его структуры.

Решением системы уравнений (4) для функции в виде (5) являются искомые диэлектрическая проницаемость и электропроводность образца и . Вид функции невязок и её контурная карта представлены на рис. 5.

а б

Рис. 5. Вид функции невязок в пространстве искомых параметров (а) и контурная карта функции невязок в плоскости искомых параметров (б) для кремниевого образца () с электропроводностью Ом–1м–1.

На рис. 6 представлены тестовые (точки) и рассчитанные (линии) значения коэффициента отражения, полученные с использованием найденных значений параметров и . Относительная погрешность определения диэлектрической проницаемости образца по тестовым данным достигала 15 %, относительная погрешность определения электропроводности образца по тестовым данным достигала 7%.

Рис.6. Тестовые (точки) и рассчитанные (линии) значения коэффициента отражения, полученные с использованием найденных значений параметров и , соответственно: 1 – 11.8 и 21.3, 2 – 11.7 и 47.9, 3 – 10.0 и 97.9.

Приведено решение обратной задачи по определению комплексной диэлектрической проницаемости слоев, включенных в качестве неоднородности в волноводный фотонный кристалл, электропроводности полупроводниковой пластины и толщины нанесенного на неё нанометрового металлического слоя.

В четвертом разделе представлены результаты экспериментальных исследований спектров отражения и прохождения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона одномерных волноводных фотонных структур, содержащих нарушения в виде измененной толщины и диэлектрической проницаемости отдельных слоёв, а также одномерных волноводных фотонных структур, размещенных перед структурой типа «нанометровая металлическая плёнка – полупроводниковая или диэлектрическая подложка».

В ходе экспериментальных исследований в диапазоне частот 8–12 ГГц была измерена частотная зависимость модуля коэффициента отражения электромагнитной волны от 11-слойной структуры, состоящей из чередующихся слоёв поликора с и пенопласта с . Представлены измеренные спектры отражения электромагнитной волны от фотонного кристалла вблизи «окна» прозрачности для различных значений толщины 6-го нарушенного слоя (пенопласта).

Экспериментально определялась электропроводность плёнок тантала с содержанием азота, нанесенных на поликоровые подложки толщиной 0.5 мм. Коэффициент отражения измерялся с помощью векторного анализатора цепей Agilent PNA N5230A в диапазоне частот 8.5–10.5 ГГц. Толщины металлических пленок были измерены на атомно-силовом микроскопе типа NTEGRA Spectra.

На рис. 7 представлены экспериментально измеренные (дискретные кривые) спектры отражения электромагнитной волны от исследуемой структуры (фотонный кристалл – пленки тантала на поликоровой подложке).

а	б
Рис. 7. Экспериментальные (точки) и рассчитанные (линии) спектры отражения электромагнитной волны от исследуемой структуры: «волноводный фотонный кристалл – пленка тантала на поликоровой подложке»:, Ом-1 м-1: а – 0.051; б –0.199

Искомое значение электропроводности металлической пленки определялось численным методом в результате решения уравнения:

. (6)

На рис. 7 представлены также рассчитанные спектры отражения (непрерывные кривые) при значениях электропроводности , определяемых из решения уравнения (6).

По измеренным спектрам отражения (рис. 8, дискретные кривые) электромагнитного излучения от структуры «фотонный кристалл – пленки нихрома на кремниевой подложке» определялись толщина нанометровой пленки нихрома и электропроводность кремниевой подложки толщиной 430 мкм. Коэффициент отражения измерялся с помощью векторного анализатора цепей Agilent PNA N5230A. Измерения проводились для двух различных чередований слоёв измеряемой структуры: «фотонный кристалл – металлическая пленка – полупроводниковая подложка» и «фотонный кристалл – полупроводниковая подложка – металлическая пленка».

а а	б
Рис. 8. Экспериментальные (точки) и рассчитанные (сплошные кривые) спектры отражения от исследуемой структуры : кривые 1 – в системе «волноводный фотонный кристалл – металлическая пленка – полупроводниковая подложка», кривые 2 – в системе «волноводный фотонный кристалл – полупроводниковая подложка – металлическая пленка». а – =10 нм; б – =110 нм.

В результате решения обратной задачи по измеренным спектрам отражения в диапазоне частот 9–10 ГГц были определены параметры исследуемых структур. На рис. 8 приведены рассчитанные (сплошные линии) спектры отражения электромагнитной волны для двух различных ориентаций измеряемой структуры, при значениях толщины металлической пленки и электропроводности подложки, полученных из решения обратной задачи.

Представлена также экспериментальная реализация метода определения комплексной диэлектрической проницаемости диэлектрических материалов.

В заключении приведены основные результаты и сформулированы выводы диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Представлена теоретическая модель, описывающая взаимодействие электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с одномерными волноводными фотонными структурами, в том числе содержащими диэлектрические и проводящие нанометровые слои, и позволяющая рассчитывать коэффициенты отражения и прохождения СВЧ-излучения для таких структур.
2. Проведено компьютерное моделирование спектров отражения и прохождения одномерных фотонных кристаллов СВЧ-диапазона в волноводном исполнении при наличии в них нарушений в виде измененной толщины и/или диэлектрической проницаемости отдельных слоёв.
3. Установлено, что создание нарушений в виде измененной толщины и/или диэлектрической проницаемости отдельных слоёв в одномерных волноводных фотонных кристаллах приводит к появлению в «запрещенной зоне» волноводной фотонной структуры «донорных» окон прозрачности, расположенных вблизи верхней частотной границы «запрещенной зоны», или «акцепторных» окон, расположенных вблизи нижней частотной границы «запрещенной зоны». При этом частотное положение «окна» прозрачности — «глубина залегания» — определяется параметрами нарушающего периодичность слоя.
4. Исследованы спектры отражения фотонного кристалла при внесении в него неоднородности в виде двухслойной структуры, представляющей собой полупроводниковую или диэлектрическую пластину с нанесенным на неё нанометровым металлическим слоем. Показано, что частотная зависимость коэффициента отражения в «окне» прозрачности такого модифицированного фотонного кристалла определяется толщиной и электропроводностью металлического слоя.
5. Исследованы зависимости коэффициента отражения фотонного кристалла, содержащего в качестве неоднородности полупроводниковую или диэлектрическую пластину, с нанесенным на неё нанометровым металлическим слоем, от толщины этого слоя. Показано, что при увеличении диэлектрической проницаемости слоев волноводного фотонного кристалла расширяются диапазоны толщины и электропроводности нанометровых металлических пленок, включенных в его состав, в которых коэффициент отражения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона от фотонной структуры не достигает насыщения.
6. Представлено теоретическое обоснование метода измерения параметров диэлектриков, полупроводников и слоистых структур типа «металл–полупроводник» и «металл–диэлектрик» в широком диапазоне изменения этих параметров по спектрам отражения и прохождения электромагнитного излучения с использованием одномерных волноводных фотонных структур.
7. Показана возможность решения обратной задачи по определению комплексной диэлектрической проницаемости слоев, включенных в качестве неоднородности в волноводный фотонный кристалл, электропроводности и диэлектрической проницаемости полупроводниковых пластин, электропроводности полупроводниковой пластины и толщины нанесенного на неё нанометрового металлического слоя.
8. Представлены результаты экспериментальных исследований взаимодействия СВЧ-излучения с одномерными волноводными фотонными структурами в трехсантиметровом диапазоне длин волн. Экспериментально исследованы спектры отражения и прохождения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона одномерных волноводных фотонных структур, содержащих нарушения в виде измененной толщины и диэлектрической проницаемости отдельных слоёв, а также одномерных волноводных фотонных структур, размещенных перед структурой типа «нанометровая металлическая плёнка – полупроводниковая или диэлектрическая подложка».
9. Экспериментально реализованы методы определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов, диэлектрической проницаемости и электропроводности полупроводниковых слоев, толщины и проводимости нанометровых металлических слоёв, нанесённых на диэлектрические и полупроводниковые подложки, с использованием спектров отражения и прохождения одномерных волноводных фотонных кристаллов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНЫ

В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Мерданов М.К. Использование волноводных фотонных структур для измерения параметров нанометровых металлических слоев на изолирующих подложках/Д.А.Усанов, А.В. Скрипаль, М.К.Мерданов и др.// Известия вузов. Электроника. 2007. №6. С. 25–32.
2. Мерданов М.К. СВЧ-фотонные структуры и их использование для измерения параметров материалов и создания функциональных устройств СВЧ-электроники/Д.А.Усанов, А.В. Скрипаль, М.К.Мерданов и др.// Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2008. Т. 11, № 3. С. 51–59.

В других изданиях

3. Мерданов М.К. Измерение нанометровых металлических слоев на изолирующих подложках с использованием волноводных фотонных структур в СВЧ-диапазоне/ Д.А.Усанов, А.В. Скрипаль, М.К.Мерданов и др.// Оборудование, технологии и аналитические системы для материаловедения, микро- и наноэлектроники: труды V российско-японского семинара: в 2 т. М.: Изд-во МИСиС, 2007. Т. I. С. 466-475.
4. Мерданов М.К. Широкополосные волноводные согласованные нагрузки на основе слоистых металлодиэлектрических структур/ Д.А.Усанов, А.В. Скрипаль, М.К.Мерданов и др.// Физика и технические приложения волновых процессов: труды VI Междунар. науч.-тех. конф. Казань 2007. С.222-223.
5. Мерданов М.К. Спектральные характеристики волноводных фотонных структур с нанометровым металлическим слоем/ Д.А.Усанов, А.В. Скрипаль, М.К.Мерданов и др.// Физика и технические приложения волновых процессов: труды VI Междунар. науч.-тех. конф. Казань 2007. С.233-234.
6. Мерданов М.К. Измерение нанометровых металлических слоев с использованием волноводных фотонных структур/ Д.А.Усанов, А.В. Скрипаль, М.К.Мерданов и др.// СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: материалы 17-й Междунар. Крымской конф.: в 3 т. Севастополь, Крым. Украина, 2007. Т.2. С.549-550.
7. Merdanov M. Measurement of the Metal Nanometer Layer Parameters on Dielectric Substrates using Photonic Crystals based on the Waveguide Structures with Controlled Irregularity in the Microwave Band/ D. Usanov, A. Skripal, M. Merdanov et al.// Proc. of 37th European Microwave Conference. Munich, Germany, 2007. P. 198–201.
8. Мерданов М.К. Использование микрополосковых и волноводных фотонных кристаллов для измерения параметров материалов и наноструктур/ Д.А.Усанов, А.В. Скрипаль, М.К.Мерданов и др.// Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов: материалы I Междунар. казахстанско-российско-японской науч. конф. и VI российско-японского семинара/ под ред. проф. Л.В. Кожитова. М.: Интерконтакт Наука. Усть-Каменогорск: ВКГТУ, 2008. С. 336–344.
9. Merdanov M. Application of multilayer metal-dielectric structures for creation of wideband waveguide matched loads/ D. Usanov, A. Skripal, M. Merdanov et al.// Proc. of XVII International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications: in 3 vol. Poland, Wroclaw, 2008. Vol. 2. P. 553-556.
10. Merdanov M. Wideband Waveguide Matched Loads Based on Photonic Crystals with Nanometer Metal Layers/ D. Usanov, A. Skripal, M. Merdanov et al.// Proceedings of the 38th European Microwave Conference. Amsterdam, the Netherlands, 2008. P. 484–487.
11. Патент РФ на изобретение №2349904. Способ измерения электрофизических параметров структуры «нанометровая металлическая пленка – полупроводниковая или диэлектрическая подложка/ Д.А.Усанов, А.В. Скрипаль, М.К. Мерданов. Опубл. 20.03.2009. Бюлл. №8 (по заявке на изобретение 2007134232/09(037404) от 13.09.2007). МПК G01N 22/00 (2006.01).
12. Мерданов М.К. Фотонные структуры и их использование для измерения параметров материалов, микро- и нанометровых слоев и создания функциональных устройств СВЧ-электроники/ Д.А.Усанов, А.В. Скрипаль, М.К.Мерданов и др.// Междунар. Форум по нанотехнологиям: в 2 т. М., 2008. Т. 1. С.152-154.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Нанотехнологии в электронике/ под ред. Ю.А. Чаплыгина. М.: Техносфера, 2005. 448 с.
2. Нанотехнология: физика, процессы, диагностика, приборы/ под. ред. В.В. Лучинина, Ю.М. Таирова. М.: Физматлит, 2006. 552 с.
3. Усанов Д.А. Физика работы полупроводниковых приборов в схемах СВЧ/ Д.А.Усанов, А.В. Скрипаль. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1999. 376 с.
4. Викторов В.А. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов/ В.А. Викторов, Б.В. Лункин, А.С. Совлуков. М.: Энергоатомиздат, 1989. 208 с.
5. Near-field microwave microscopy of materials properties/ S. M. Anlage, D. E. Steinhauer, B. J. Feenstra et al.// ar-Xiv:cond-mat/0001075 v2 18 Apr 2000.
6. Чаплыгин Ю.А. Методика измерения электропроводности нанометровых металлических пленок в слоистых структурах по спектрам отражения электромагнитного излучения/ Ю.А. Чаплыгин, Д.А.Усанов, А.В. Скрипаль и др. // Известия вузов. Электроника. 2006. № 6. С. 27-35.
7. Donor and acceptor modes in photonic band structure / E. Yablonovitch, T.J. Gimitter, R.D. Meade et al. // Phys. Rev. Lett. 1991. Vol. 67, N. 24. P. 3380–3383.
8. Гуляев Ю.В. Фотонные и магнитофотонные кристаллы – новая среда для передачи информации/ Ю.В. Гуляев, С.А. Никитов// Радиотехника. 2003. №8. С.26–30.

Подписано в печать 11.11.09 Формат 6084 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд.л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ № ____ Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77.

Отпечатано в РИЦ СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77