Оптичний спосіб визначення розподілу температури у функціональних елементах приладних ііі-n структур в робочих режимах

Реферат: Оптичний спосіб визначення розподілу температури у функціональних елементах приладних IIIN структур в робочих режимах, при якому досліджуваний зразок з під'єднаними контактами розміщується на моторизованому столику мікроскопа, який оснащено USB-камерою та підводкою контактних проводів, через об'єктив мікроскопа проводиться відбір ділянки для дослідження, програмно визначаються її межі та проводиться збудження коливних смуг комбінаційного розсіяння світла (КРС), при цьому спектри КРС за допомогою спектрометра реєструються від точки до точки вибраної ділянки у режимі стокс-антистокс, величина температури у досліджуваних функціональних елементах визначається із математичного співвідношення. UA 88721 U (12) UA 88721 U UA 88721 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Запропонована корисна модель належить до безконтактного неруйнівного контролю температури в електронних напівпровідникових елементах у робочих режимах з субмікронною просторовою роздільною здатністю. Сучасні напівпровідникові електронні прилади являють собою складні конструкції, котрі містять велику кількість компактно розміщених елементів субмікронного масштабу, під час роботи яких виділяється і розсіюється теплова енергія. Ще на стадії виробництва електронних структур закладаються певні температурні нормативи і режими їх роботи, відхилення від яких призводить до зміни їх робочих характеристик, стабільності, деградації [1, 2]. Відомий спосіб [3] визначення температури оптично прозорого об'єкта включає розміщення на об'єкті термочутливого елемента та вимірювання спектра фотолюмінесценції термочутливого елемента до та після дії на об'єкт високих температур. По зміні півширини смуги спектра визначають значення температури об'єкта. Як термочутливий елемент використовують частинки сульфіду миш'яку у боросилікатному склі. Реалізація такої схеми для вимірювання температури забезпечує розширення діапазону дистанційного визначення температури. Проте, такий спосіб недостатньо точний, залежить від якості термічного контакту об'єкта та термочутливого елемента і забезпечує термометрію досить крупних об'єктів, що не дає змоги застосовувати його до сучасних компонентів електроніки, які мають субмікронні розміри. Найбільш близьким технічним рішенням, прийнятим за прототип [4], є спосіб вимірювання температури, при якому реєструють зворотне розсіяне випромінювання на довжині хвилі антистоксового комбінаційного розсіяння з визначенням інтенсивності антистоксового розсіяння випромінювання Iас . В процесі реєстрації зворотного розсіяного випромінювання на довжині хвилі антистоксового комбінаційного розсіяння додатково визначають інтенсивність релеївського розсіювання випромінювання Iр та Iра . Температуру T визначають із відношення інтенсивності антистоксового розсіювання випромінювання до інтенсивності релеївського розсіювання випромінювання Iа / Iр , скоректованого із врахуванням інтенсивності релеївського розсіяння випромінювання Iра . Недоліком прототипу є те, що згідно з [4] температурою вимірюється точково, для реалізації прототипу необхідно два лазерних джерела і за допомогою даного способу не можна тестувати елементи приладних III-N структур субмікронного масштабу по температурі у залежності від прикладеного навантаження (напруги). Задачею запропонованої корисної моделі є отримання експресного способу визначення розподілу температури у функціональних елементах приладних III-N структур у двовимірному режимі, який би дозволяв знаходити безпечні та оптимальні, відносно температури, робочі режими струм-напруга. Поставлена задача вирішується тим, що пропонується спосіб визначення температури у функціональних елементах приладних III-N структур в робочих режимах, який відрізняється тим, що досліджуваний зразок з під'єднаними контактами розміщується на моторизованому столику мікроскопа, який оснащено USB-камерою та підводкою контактних проводів. Через об'єктив мікроскопа проводиться відбір ділянки для дослідження, програмно визначаються її межі та проводиться збудження коливних смуг комбінаційного розсіяння світла (КРС). При цьому спектри КРС за допомогою спектрометра реєструються від точки до точки вибраної ділянки у режимі стокс-антистокс, фіг. 1. Величина температури у досліджуваних функціональних елементах визначається із співвідношення:  IA     A     T 4 ln     1n I  K   S  S    1 , де T - температура досліджуваного елемента,  - стала Планка, K - стала Больцмана, S - частота стоксової компоненти, A - частота антистоксової компоненти, IS - інтенсивність стоксової компоненти, IA - інтенсивність антистоксової компоненти. 1 UA 88721 U 5 10 15 20 25 30 35 40 Скануючий рух збуджуючого променя забезпечується переміщенням електродвигунами моторизованого столика. При цьому мінімальний крок цього руху визначає відстань між двома точками на зразку, у яких визначається температура. До контактів досліджуваних функціональних елементів III-N структур, як джерело напруги зсуву і вимірювального пристрою під'єднується амперметр, який забезпечує плавну зміну прикладеного навантаження. Таким чином збирається масив даних (спектрів КРС), записаних у кожній точці окремо, по співвідношенню стокс- та антистокс-ліній яких встановлюється температура. Як результат отримується карта розподілу температури на досліджуваній ділянці приладної III-N структури. А на основі карт розподілу температури, записаних при різних навантаженнях, встановлюються оптимальні та безпечні робочі режими елементів приладних III-N структур. Останнє свідчить про ефективність та корисність запропонованого способу. Новизна запропонованого способу полягає у тому, що при встановленні оптимальних робочих режимів у функціональних елементах приладних III-N структур, вперше пропонується визначати температуру їх компонентів не точково, а створювати карти розподілів, температури при різних робочих навантаженнях, а також, у новій сукупності елементів устаткування для реалізації запропонованого способу і послідовності запропонованих операцій. Приклад реалізації Для реалізації описаного способу визначення температури у функціональних елементах приладних III-N структур в робочих режимах було зібрано установку, схему якої подано на фіг. 2. У даній установці використано конфокальний мікроскоп UV-Visible-NIR Olympus BX41, XYZ моторизований скануючий столик з кроком 0,1 мкм (Marghauser SensoTech GmbH), потрійний спектрометр Horiba Jobin-Yvon T64000 (у ролі монохроматора), детектори CCD ТЕ-1024х256 Andor (2001050 нм) і InGaAs detector LN-IGA-512x1 (8001550 нм) у ролі фотоприймача і лазер Ar-Kr Stabilite 2018-RM Spectra Physics 2.5W. Також, як джерело напруги зсуву і вимірювального пристрою використовувався пікоамперметр Keithley 6487. За допомогою описаної установки проведено дослідження з вимірювання температури функціональних елементів приладної III-N структури на основі транзисторної НЕМТ (high-electron-mobility transistor) структури. Зовнішній вигляд досліджуваної структури подано на фіг. 3 а. На фіг. 3 b, с представлено експериментально отриманий спектр КРС, описаної приладної структури, з відношення інтенсивностей стокової та антистоксової компонент якого і визначається температура, а також залежність температури у елементах транзисторної структури від напруги, яка прикладається до контактів. Таким чином, на прикладі транзисторної НЕМТ структури продемонстровано ефективність та корисність запропонованого способу визначення температури у функціональних елементах приладних III-N структур в робочих режимах. Джерела інформації: 1. Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 488 с. 2 6 2 V. Komar, V. Puzikov, A B group single crystals: growth, properties, application (Institute for Single Crystals, Kharkov, 2002), 214 pp. 3. Томашпольский Ю.Я., Бобонич П.П., СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНОГО ОБЪЕКТА, Патент на изобретение RU 2251085 С2, МПК G01K11/20. 4 Горшков Б.Г., Зазирный Д.В., Зазирный М.В. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, Патент на изобретение RU 2458325 С1, G01K11/32 (2006.01). 45 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 55 Оптичний спосіб визначення розподілу температури у функціональних елементах приладних IIIN структур в робочих режимах, який відрізняється тим, що досліджуваний зразок з під'єднаними контактами розміщується на моторизованому столику мікроскопа, який оснащено USB-камерою та підводкою контактних проводів, через об'єктив мікроскопа проводиться відбір ділянки для дослідження, програмно визначаються її межі та проводиться збудження коливних смуг комбінаційного розсіяння світла (КРС), при цьому спектри КРС за допомогою спектрометра реєструються від точки до точки вибраної ділянки у режимі стокс-антистокс, величина температури у досліджуваних функціональних елементах визначається із математичного співвідношення. 2 UA 88721 U 3 UA 88721 U Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4