ОПРЕДЕЛЕНИЕ  ПОКАЗАТЕЛЯ  ПРЕЛОМЛЕНИЯ  НИТРИДА  ГАЛЛИЯ

Колчинский  Владислав  Андреевич

аспирант  Института  A втоматики  и  Процессов  Управления,  РФ,  г.  Владивосток

E -mail:  vladko.88@mail.ru

Черепахин  Артем  Борисович

студент  Школы  естественных  наук  Дальневосточного  Федерального  Университета,  РФ,  г.  Владивосток

Ромашко  Роман  Владимирович

д-р  физ.-мат.  наук,  зав.  кафедрой  Квантовой  и  оптической  электроники  Школы  естественных  наук  Дальневосточного  Федерального  Университета,  РФ,  г.  Владивосток

E-mail: 

GALLIUM  NITRIDE  REFRACTIVE  INDEX  MEASUREMENT

Vladislav  Kolchinskiy

postgraduate,  Insitute  of  Automation  and  Control  Processes,  Russia,  Vladivostok

Artem  Cherepahin

student,  School  of  Natural  Sciences,  Far  Eastern  Federal  University,  Russia,  Vladivostok

Roman  Romashko

doctor  of  sciences,  professor,  Department  of  Quantum  and  Optoelectronics,  School  of  Natural  Sciences,  Far  Eastern  Federal  University,  Russia,  Vladivostok

Исследование  выполнено  при  поддержке  Дальневосточного  федерального  университета,  проект  №  12-02-13009-42/13.

АННОТАЦИЯ

Данная  работа  посвящена  измерению  показателя  преломления  нитрида  галлия.  Цель  работы:  показать  возможность  измерения  данного  параметра  с  помощью  лазерного  профилометра.  В  связи  с  тем,  что  в  оптическом  диапазоне  кристалл  нитрида  галлия  имеет  хорошие  оптические  характеристики  [5],  определение  показателя  преломления  проводилось  на  длинах  волн  оптического  диапазона  из  перечня  доступных  источников  излучения  (470,  561  и  632  нм).  Измерение  осуществлялось  с  помощью  лазерного  профилометра  с  разрешением  между  соседними  пикселами  8  мкм.  Экспериментальные  значения  совпали  с  теоретическими  в  пределах  ошибки.

ABSTRACT

This  work  is  devoted  to  the  measurement  of  the  refractive  index  of  gallium  nitride.  Objective:  To  demonstrate  the  ability  to  measure  this  parameter  using  a  laser  profilometer.  Due  to  the  fact  that  in  the  optical  range  crystal  gallium  nitride  has  a  good  optical  characteristic  [5],  the  determination  of  refractive  index  was  performed  at  wavelengths  of  the  optical  range  from  the  list  of  available  light  sources  (470,  561  and  632  nm).  Measurement  was  carried  out  using  a  laser  profilometer  resolution  between  neighboring  pixels  8  microns.  The  experimental  values  agreed  with  the  theoretical  within  the  error.

Ключевые  слова:  нитрид  галлия;  лазерный  профилометр.

Keywords:  gallium  nitride;  a  laser  profilometer.

Благоприятное  сочетание  многих  физико-химических  свойств  нитрида  галлия  открывает  перед  ним  широкие  перспективы  приме­нения  в  различных  областях  электронной  техники  [2].  Высо­кая  термическая,  химическая  и  радиационная  стойкость  нитрида  галлия  позволяет  ис­пользовать  его  для  изготовле­ния  приборов,  работающих  при  повышенных  температу­рах  и  в  неблагоприятных  ус­ловиях  [1].  Хорошая  теплопро­водность  снимает  многие  про­блемы  охлаждения  рабочей  области,  а  сочетание  высокой  скорости  насыщения  электро­нов  [4]  и  значительного  поля  про­боя  делает  его  пригодным  к  изготовлению  мощных  высо­кочастотных  и  высокотемпе­ратурных  транзисторов.  Пря­мой  характер  межзонных  пе­реходов,  большая  ширина  запрещенной  зоны  (3,39  эВ  при  300  K)  обусловли­вают  возможность  значительного  расширения  спектрально­го  диапазона  работы  изготав­ливаемых  на  его  основе  свето­излучающих  и  фотоприемных  устройств  [3,  6].

В  настоящей  работе  проводилось  определение  показателя  преломления  чистого  образца  нитрида  галлия  GaN,  толщиной  150  мкм,  не  легированный  примесями  (подготовленный  коллегами  из  Университета  Сунь  Ятсена  (размер  10x10  мм).

Рисунок  1.  Исследуемый  образец  нитрида  галлия

Показатель  преломления  является  одним  из  важнейших  оптических  параметров  материала.  Существуют  различные  методы  определения  показателя  преломления,  среди  которых  гониометрический,  рефрактометрический,  эллипсометрический.  В  данной  работе  было  произведено  определение  показателя  преломления  с  помощью  альтернативного  метода  лазерного  профилометра.  Данный  способ  позволяет  определить  показатель  преломления  с  точностью  до  10^-3,  что  уступает  выше  указанным  методам.  Но  данный  недостаток  компенсирует  относительная  простота  измерения.

В  связи  с  тем,  что  в  оптическом  диапазоне  кристалл  нитрида  галлия  имеет  хорошие  оптические  характеристики  [3],  определение  показателя  преломления  проводилось  на  длинах  волн  оптического  диапазона  из  перечня  доступных  источников  излучения  (470,  561  и  632  нм).  Измерение  осуществлялось  с  помощью  лазерного  профилометра  с  разрешением  между  соседними  пикселами  8  мкм.  Образец  помещался  в  вертикальном  положении  на  прецизионную  подвижку,  с  помощью  которой  осуществлялся  точный  поворот  образца  относительно  лазерного  излучения  (вертикальной  поляризации).  Для  стабильности  работы  лазера  использовался  оптический  изолятор  на  выходе  лазерного  излучения,  обеспечивающий  пропускание  света  в  одном  направлении  почти  без  потерь,  а  в  другом  (обратном)  направлении  с  большим  затуханием.  Для  более  точного  определения  показателя  преломления  кристалла  нитрида  галлия  с  помощью  профилометра,  был  использован  пространственный  фильтр,  представляющий  собой  комбинацию  плоско-выпуклых  линз  и  диафрагмы.

Схема  установки  для  измерения  показателя  преломления  с  лазерного  профилометра  приведена  на  рисунке  2.  На  рисунке  3  изображен  ход  лучей  в  образце  нитрида  галлия,представляющий  собой  плоскопараллельную  пластину.

Рисунок  2  Схема  установки:  1  —  лазер,  2  —  поляризатор,  3  —  λ/4  пластинка,  4  —  образец,  5  —  прецизионная  подвижка,  6  —  лазерный  профилометр,  7  —  плоско-выпуклая  линза,  8  —  диафрагма,  9  —  плоско-выпуклая  линза

Рисунок  3.  Направление  лучей  в  плоскопараллельной  пластинке  (α  —  угол  поворота,  β  —  угол  преломления,  h  —  отклонение  луча,  определяемое  с  помощью  лазерного  профилометра,  d  —  толщина  образца,  х  и  у  —  вспомогательные  отрезки  для  вывода  формулы)

С  помощью  геометрических  преобразований  и  используя  закон  Снеллиуса,  была  получена  формула  нахождения  показателя  преломления:

  (1) 

где:  α  —  угол  поворота, 

h  —  отклонение  луча,  определяемое  с  помощью  лазерного  профилометра, 

d  —  толщина  образца 

На  рисунке  4  изображены  профили  лазерного  луча,  полученные  с  помощью  лазерного  профилометра:

Рисунок  4.  Профили  лазерного  луча,  полученные  с  помощью  лазерного  профилометра  (а  —  без  образца,  б  —  после  прохождения  через  образец,  в  —  после  прохождения  через  образец,  повернутый  на  35  градусов  вдоль  оси)

На  рисунке  5  приведен  график  расчета  показателя  преломления  GaN  при  различных  длинах  волн  в  диапазоне  поворота  образца  от  1  до  45  градусов  относительно  лазерного  излучения.  Показатель  преломления  на  каждой  длине  волне  на  рисунке  показан  в  сравнении  со  справочными  данными  [2].

Рисунок  5.  Показатель  преломления  GaN  при  различных  длинах  волн

Полученные  значения  показателя  преломления  нитрида  галлия  при  доверительной  вероятности  0,95,  рассчитанные  с  помощью  формул  Стьюдента:

=  2,4677  ± 

=  2,4095  ± 

=  2,3844  ±  43

Таким  образом,  в  ходе  проделанной  работы  была  выработана  методика  измерения  показателя  преломления  с  помощью  лазерного  профилометра  и  был  измерен  показатель  преломления  образца  нитрида  галлия  на  длинах  волн  470,  561  и  632  нм.  Экспериментальные  значения  совпали  с  теоретическими  в  пределах  ошибки  [4].  Данный  метод  является  новизной  в  измерении  показателя  преломления  и  сочетание  таких  качеств,  как  простая  схема  установки  и  относительно  малая  стоимость,  позволяет  использовать  данный  метод  для  экспресс  измерения  показателя  преломления.

Список  литературы:

1.Акчурин  P.X.,  А.А.  Мармалюк.  Нитрид  галлия  —  перспективный  материал  электронной  техники  Часть  I.  1999 

2.Туркин  А.Н.  Нитрид  галлия  как  один  из  перспективных  материалов  в  современной  оптоэлектронике  //Компоненты  и  технологии.  —  2011.  —  Т.  5.  —  №  118.

3.Bass  M.  et  al.  Handbook  of  Optics,  Volume  IV:  Optical  Properties  of  Materials,  Nonlinear  Optics,  Quantum  Optics  (set).  McGraw  Hill  Professional,  2009.  Т.  4.

4.Chin  V.W.L.,  Tansley  T.L.,  Osotchan  T.  Electron  mobilities  in  gallium,  indium,  and  aluminum  nitrides  //Journal  of  Applied  Physics.  —  1994.  —  Т.  75.  —  №  11.  —  С.  7365—7372.

5.Gunter  P.,  Huignard  J-P.  Photorefractive  Materials  and  Their  Applications  2.  Springer,  2007,  —  Ch.  11.

6.Edgar  J.H.  Properties,  processing  and  applications  of  gallium  nitride  and  related  semiconductors.  Iet,  1999.