Ультранизкое поглощение в карбиде кремния в миллиметровом диапазоне

 

Е. Е. Чигряй, Б. М. Гарин, Р. Н. Денисюк, Д. С. Калёнов, И. П. Никитин

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

 

Статья поступила в редакцию 19 октября 2016 г.

 

Аннотация: Исследованы диэлектрические свойства высокочистого полуизолирующего монокристалла карбида кремния политипа 6H-SiC в миллиметровом диапазоне. Разработана методика и впервые создана установка для измерений ультранизких потерь в длинноволновой части ММ диапазона на частотах <80 ГГц в образцах в виде пластин с относительно малыми поперечными размерами (~20 мм) и произвольной толщиной (~1 мм и ниже). Они основаны на открытом полусимметричном резонаторе со сферическим зеркалом малого радиуса кривизны 40 мм. Наблюдалась величина тангенса угла диэлектрических потерь в карбиде кремния на частоте 69,4 ГГц при комнатной температуре, tgd ~6×10^-5, которая является наименьшей из наблюдавшихся величин в данном материале в ММ диапазоне. Эти потери на порядок ниже потерь, наблюдавшихся в таких известных малопоглощающих материалах как монокристаллы сапфира и кварца, и превышают лишь потери в наилучших образцах CVD алмазов. Однако, производство данного материала значительно дешевле по сравнению с последними. Выявлены механизмы наблюдаемых потерь в карбиде кремния. В низкочастотной области <20 ГГц доминирует механизм потерь, обусловленных поглощением на свободных носителях заряда. В области 60–400 ГГц потери можно объяснить проявлением собственных решёточных потерь, обусловленных двухфононными процессами поглощения

Ключевые слова: карбид кремния, диэлектрические потери, открытый резонатор

Abstract. Dielectric properties of high-purity semi-insulating single-crystal 6H silicon carbide are investigated in the millimeter-wave (MM) range. A method and a setup are developed for measuring ultralow dielectric loss in the long-wavelength part of the millimeter-wave band at frequencies below 80 GHz in samples with relatively small transverse size (~20 mm) and arbitrary thickness (~1 mm or less). The method and the setup are based on a semisymmetric open resonator with spherical mirror with radius of curvature of 40 mm. The value of loss tangent measured at 69.4 GHz and room temperature is tand  ~ 6×10^-5, which is the lowest value ever observed in this material. This value is significantly lower than that observed in well-known low-loss materials such as single-crystal sapphire and quartz but exceeds the loss value in the best samples of CVD diamond. However, SiC has lower production cost compared to the latter. The loss mechanisms in silicon carbide are revealed. At low frequencies <20 GHz, the loss is due to absorption by free charge carriers. In the region 60-400 GHz, the loss can be attributed to the intrinsic lattice loss due to two-phonon absorption processes.

Key words: silicon carbide, dielectric loss, open resonator.