4H-SiC在不同毫米波频率、温度和湿度下的正常和异常介电常数 *
1. 概述
4H-SiC 等六方系半导体具有重要的高频、大功率和高温应用。这些应用需要准确了解这些半导体 c 轴垂直和平行的普通和非常相对介电常数 ε ⊥ 和 ε|| 。然而，由于缺乏合适的测试设置和精确的高频测量，这些半导体尤其是在毫米波频率下的可靠数据很少。近期，康奈尔大学与EM实验室的联合研究团队报道了4H-SiC 在 110 至 170 GHz 范围内的 ε || 。本文在之前报告的基础上进行了扩展，包括同一材料在 55 至 330 GHz 范围内的 ε ⊥ 和 ε || ，以及通过将测量精度提高到小数点后两位实现的温度和湿度依赖性。例如，在室温下，真实的 ε ⊥ 和 ε || 分别恒定为 9.77±0.01 和 10.20±0.05。相比之下，普通损耗角正切随频率 f 线性增加，形式为 (4.9 ± 0.1)×10−16 f。在大多数毫米波频率下，损耗角正切小于 1×10−4 ，明显低于之前的低损耗标准蓝宝石。最后，ε ⊥ 和 ε ||都具有 10−4 /°C 数量级的弱温度系数 。本文报告的知识对于 4H-SiC 的毫米波应用尤为重要，不仅适用于固态器件和电路，而且适用于作为高功率真空电子器件的窗口。
2. 样品制备
在这项工作中，ε ⊥是在之前表征的同一批晶片上测量的。直径为100mm的高纯半绝缘4H-SiC晶片来自中芯晶研，将其减薄至98μm厚，平均表面粗糙度为2nm。晶片方向与c轴的夹角在0.1°以内。微管密度小于10 cm−2。晶片弯曲和翘曲均小于10μm。将晶片一分为四：使用第一小片和第二小片在本研究中进行测量；第三小片和第四小片用于其他用途。尽管谐振器可以覆盖低至25 GHz的频率，但对于55 GHz以下的宽带法布里-珀罗谐振器来说，四分之一太小，无法进行测量。未来，可以使用适当尺寸的圆形晶片来降低频率范围。
图1（a） 在法布里-珀罗谐振器上测量ε ⊥的装置；（b） 法布里-珀罗谐振腔中具有7个波腹的驻波示意图
图2 4H-SiC的介电常数ε⊥和损耗角正切tanδ⊥测量：（a）两个不同四分之一小片以及旋转的同一四分之一小片围绕c轴90°进行测量，（b）在相同的四分之一片和方向下不同的温度和湿度下测量
图3 4H-SiC在D带上的温度依赖性（a）ε⊥，tanδ⊥和（b）ε||，tanδ||
3. 结论
在这项工作中，研究人员测量了ε⊥、ε||、tanδ和tanδ||，精度提高了一个数量级。研究人员发现ε⊥和ε||在大多数毫米波频率上是恒定的，而tanδ随频率线性增加。这似乎是合理的，因为在没有离子/电子传导或分子偶极弛豫的情况下，原子核和核心电子之间的剩余原子弛豫在太赫兹频率以上。ε⊥<ε||的事实似乎也是合理的，因为六方系半导体的c平面是最密集的堆积。tanδ的线性频率依赖性与2-声子吸收机制一致。
论文信息：
TIANZE LI, LEI LI, XIAOPENG WANG, JAMES C. M. HWANG, SHANA YANAGIMOTO, AND YOSHIYUKI YANAGIMOTO.(2024).Ordinary and Extraordinary Permittivities of 4H SiC at Different Millimeter-Wave Frequencies, Temperatures, and Humidities.IEEE Journal of Microwaves.
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