Rev. Phys. Appl. (Paris) 17, 481-490 (1982)
DOI: 10.1051/rphysap:01982001708048100

Caractérisation électrique de couches minces conductrices par une méthode hyperfréquence sans contact

X. Le Cleac'h¹, M. Bellec¹ et G. Grandpierre<sup>2

1</sup>  Laboratoire de Physique des Matériaux, Institut Universitaire de Technologie, Université de Rennes, 22302 Lannion, France
²  Département M.P.A., C.N.E.T., 22300 Lannion, France

Abstract
Cavity perturbation method is used for the measurement of mobility μ and electron carrier concentration n of conducting thin films made on bulk insulating substrates. The microwave mobility is measured at 14 GHz with a bimodal cylindrical cavity where only two TE 111 degenerate modes are excited. Conductivity (σ) measurements are made at 14 GHz and 560 MHz (re-entrant coaxial cavity). This precaution permits, for very conducting films, to reduce the error arising from the imprecise value of the substrate depolarization factor, and for insulating films, to disclose the eventual presence of another mechanism of conduction depending on frequency (ωτ ˜ 1). The measurement range of these different cavities is limited only by the sensibility of detectors toward low values of σ and μ and by the magnitude of the perturbation toward high values for thin films which thickness equals about one micron, that it to say, most inferior to the skin effect deepness. The concordance is good between d.c. (with electrical contacts) and microwave (without contact) experimental results.

Résumé
La méthode des cavités hyperfréquence faiblement perturbées est utilisée pour la caractérisation électrique, c'est-à-dire la détermination de la mobilité de Hall et du nombre de porteurs libres de couches minces conductrices créées à partir de substrats massifs isolants. La mesure de la mobilité μ est effectuée à 14 GHz à l'aide d'une cavité cylindrique bimodale où seulement deux modes TE 111 dégénérés sont excités. La conductivité σ est mesurée à deux fréquences différentes : 14 GHz et 560 MHz (cavité coaxiale réentrante). Cette précaution permet, dans le cas où les couches sont très conductrices, de diminuer l'erreur due à la valeur mal connue du facteur de dépolarisation des substrats et, dans le cas où elles sont isolantes, de déceler l'intervention éventuelle d'un mécanisme de conduction autre que celui dû aux porteurs libres qui est indépendant de la fréquence (ωτ << 1). Le domaine d'utilisation des montages proposés n'est limité que par la sensibilité des systèmes de détection vers les basses valeurs de σ et μ et par l'amplitude de la perturbation vers les hautes valeurs pour des couches minces dont l'épaisseur est voisine du micron, c'est-à-dire bien inférieure à la profondeur d'effet de peau. L'accord est excellent entre nos résultats obtenus avec contact électrique en continu et sans contact en hyperfréquence.

PACS
0750 - Electrical instruments and techniques.
7360 - Electrical properties of thin films and low dimensional structures.
7310J - Impedance and admittance measurement.
7310N - Microwave measurement techniques.

Key words
carrier density -- carrier mobility -- electrical conductivity measurement -- microwave measurement -- thin films -- reentrant coaxial -- conductivity measurement -- conducting thin films -- contactless microwave method -- cavity perturbation -- electron carrier concentration -- microwave mobility -- bimodal cylindrical cavity