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). Un système qui étend la gamme des concentrations de porteurs mesurables par ondes THz jusqu’à ~1020 cm³.
Dans les applications de dispositifs à semi-conducteurs, il y a une demande croissante de semi-conducteurs. Notamment ceux avec des concentrations de porteurs très élevées. Les paramètres des matériaux semi-conducteurs, à savoir la densité et la mobilité des porteurs, déterminent principalement les performances des dispositifs. Il est donc important de caractériser avec précision la densité et la mobilité des porteurs d’un semi-conducteur.
L’utilisation des ondes THz, ou du rayonnement électromagnétique d’une longueur d’onde d’environ 300 µm et d’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 des ondes THz.
Un système d’ellipsométrie THz
En collaboration avec Nippo Precision, des chercheurs de l’université d’Osaka ont développé un système d’ellipsométrie THz dans le domaine temporel. Un système qui étend la gamme des concentrations de porteurs mesurables par ondes THz jusqu’à ~1020 cm-3. Dans l’ellipsométrie THz dans le domaine temporel, des impulsions THz polarisées linéairement sont incidentes sur un échantillon. L’intensité du champ électrique des ondes THz réfléchies en fonction du temps est ainsi mesurée. Plus précisément, on s’intéresse aux ondes réfléchies polarisées dans la direction parallèle (p) et perpendiculaire (s) au plan d’incidence.
Le rapport entre les composantes de polarisation p et s fournit des informations sur la permittivité électrique de l’échantillon. Ce qui permet d’évaluer la densité et la mobilité des porteurs. Ainsi, contrairement à la spectroscopie THz dans le domaine temporel, l’ellipsométrie THz dans le domaine temporel ne nécessite pas de mesures de référence à travers une ouverture ou un miroir standard.
Tera Evaluator utilise une configuration optique polariseur-échantillon-analyseur rotatif. Une configuration dans laquelle l’orientation angulaire de l’analyseur varie de 0° à 360° par incréments de 15°. On utilise cette technique multi-angle notamment pour éliminer les erreurs systématiques de l’amplitude et de la phase du champ électrique THz détecté dans l’analyse. Ce qui est nouvellement employé 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 deux ordres de grandeur à celle habituellement rapportée par les autres techniques THz dans le domaine temporel.
Un système avec une exactitude et une précision supérieure
À titre de démonstration, les chercheurs ont évalué le semi-conducteur à large bande interdite en nitrure de gallium (GaN). Il s’agit de l’un des semi-conducteurs les plus importants sur le plan technologique. Il est en effet présent dans divers appareils électroniques de puissance ainsi que dans les appareils 5 G. Le GaN est également le principal matériau candidat pour les futurs dispositifs 6G fonctionnant au-delà de 100 GHz.
Ils ont aussi déjà montré que le système d’ellipsométrie THz dans le domaine temporel de haute précision est efficace pour évaluer les densités de porteurs jusqu’à 1020-1021 cm³. Le système présente effectivement une exactitude et une précision supérieures. 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. Une méthode appelée technique de semis ponctuel via la méthode du flux de Na, qui produit des cristaux de GaN de haute qualité.
Le système d’ellipsométrie THz dans le domaine temporel de haute précision devrait être très utile pour la caractérisation précise et non invasive de divers semi-conducteurs à très haute concentration de porteurs.
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