SMM modeling and capacitance voltage curves

Abstract

Rastermikrowellenmikroskopie ist eine Messtechnologie am aktuellen Stand der Technik und Forschungsobjekt von vielen Forschungsgruppen auf der ganzen Welt. Es kombiniert die räumliche Auflösung eines Rasterkraftmikroskops mit der Signalprozessierung eines modernen Netzwerkanalysators. Diese zwei vollständig entwickelten Systeme eröffnen viele Möglichkeiten für zukünftige Anwendungen vielfältigster Art. Im Rastermikrowellenmikroskop wird ein Mikrowellensignal über Koaxialkabel hin zu einer leitfähigen Spitze des Rasterkraftmikroskops und weiter zu einer Probe geführt. Dort werden die Mikrowellen reflektiert. Das Verhältnis zwischen einfallender und reflektierter Mikrowellenleistung, Reflexionskoeffizient genannt, ist von den lokalen Probeneigenschaften abhängig. Frühere Arbeiten versuchten eine Verbindung zwischen dem gemessenen Reflexionskoeffizienten und den lokalen Probeneigenschaften zu finden. Aber eine generell gültige und/oder benutzerfreundliche Verbindung konnte nicht gefunden werden. Eine Möglichkeit eine Verbindung herzustellen ist ein Ersatzschaltbild des Rastermikrowellenmikroskops aufzustellen. Solche Ersatzschaltbilder wurden in früheren Arbeiten entwickelt, kalibriert und analysiert anhand des Frequenzverhaltens. Aber sie wurden nie dazu benutzt um tatsächliche Messergebnisse in echte Probeneigenschaften umzuwandeln. Dies ist genau der Punkt an dem diese Arbeit beginnt. In dieser Arbeit wurden existierende Ersatzschaltbilder modifiziert und erweitert. Die Ersatzschaltbilder wurden dann dazu benutzt um Messergebnisse in Probeneigenschaften umzuwandeln, welche wiederum mit Simulationsergebnissen verglichen wurden um die Gültigkeit der Ersatzschaltbilder zu testen. Zu diesem Zweck wurden physikalische Modelle von Metall-Isolator-Halbleiter Strukturen entwickelt und benutzt um die Korrektheit der Modelle zu überprüfen.

Scanning microwave microscopy is a state of the art measurement technology which is main topic of several research groups around the world. It combines the spatial resolution of an atomic force microscope with the signal processing capabilities of modern vector network analyzers. These two fully developed systems combined provide huge possibilities for future applications in many different fields of research. In the scanning microwave microscope, a microwave signal is guided via a conducting tip into the sample where it gets reflected. The ratio between the reflected and incident microwave power, denoted reflection coefficient, is dependent of the local sample properties. Previous works tried to find a relation between the measured reflection coefficient and the local sample properties. But a general valid and/or user-friendly relation could not be found. One way to find a correlation between the measured reflection coefficient and the local sample properties is to build a lumped element model of the SMM. These models were investigated, calibrated and analyzed with the frequency sweep. But they were never used to transform some measurement data into sample properties. This is the starting point of this work. In this work, the model attempts of previous works were reinvented and modified. The models then were used to transform measurement data into sample properties which further were compared with simulation results to test the validity of the models. For this purpose, a physical model of metal-insulator-semiconductor structures was invented and used to test the correctness of the models.