Наноэлектроника лит-ра / dragunov

На рис. 7.25, б показаны изменения ширины и положения двух

отсутствие поглощения в структуре.

На рис. 7.26 приведены экспериментальные и расчетные спектры для четырех типов композитных структур на основе опалов: незаполненного, частично заполненного кремнием, полностью заполненного кремнием и инвертированного. Видно, что по мере увеличения контраста спектры отражения сдвигаются в длинноволновую область и уширяются. Теоретические спектры (штриховые линии на рис. 7.26) подгонялись под экспериментальные путем небольшой вариации мнимой части диэлектрической проницаемости по толщине структуры [43].

Результаты сравнения данных эксперимента с теорией, предсказывающей «одномерную» ФЗЗ, показывают, что максимумы в спектрах

Отражение

б Отражение

отражения являются следствием брэгговской дифракции электромагнитных волн на одномерно-периодической диэлектрической структуре исследуемых образцов.

На основе опаловых ФК можно создавать оптические гетероструктуры и сверхрешетки [44, 45]. Один из вариантов получения опаловых гетероструктур заключается в совместной кристаллизации сферических наночастиц двух размеров, когда большие частицы оказываются закономерно распределенными среди мелких, также образующих сложный порядок [37]. При этом одна регулярная структура оказывается вложенной в другую регулярную структуру. Такие плотно упакованные структуры сфер двух различных размеров наблюдаются в природных опалах.

Другой вариант получения опаловых гетероструктур предполагает нанесение пленки с одним размером частиц на пленку с другим размером частиц. На рис. 7.27 приведены спектры отражения пленочной гетероструктуры, состоящей из двух фотонно-кристаллических пленок опала, выращенной на плоской стеклянной подложке. Пленка А содержит 18 монослоев монодисперсных сферических частиц кремнезема (МСЧК) диаметром 260 нм, пленка В – 23 монослоя МСЧК диаметром 235 нм.

Спектр отражения от такой структуры в принципе должен соответствовать сумме двух спектров индивидуальных фотонно-кристал- лических пленок А и В. Действительно, обе зависимости на рис. 7.27 имеют по два максимума, соответствующих брэгговским резонансам в каждой пленке (индивидуальные спектры отражения пленок А и В показаны на рис. 7.28 тонкими линиями 1 и 2). Однако поскольку оптический сигнал от дальней пленки может испытывать диффузное рассеяние на структуре передней пленки, спектр отражения пленки, обращенной к световому лучу, доминирует.

В данном случае гетероструктура из двух фотонно-кристал- лических пленок имеет не перекрывающиеся брэгговские резонансы, совпадающие с таковыми для отдельных пленок А и В, что указывает на постоянство периодов монокристаллических пленок в гетероструктуре. Кроме того, из сравнения величин зависимостей 1 и 2 на рис. 7.27, можно сделать вывод, что пленка В гетероструктуры, имеющая максимум спектра отражения в зеленой области, имеет менее дефектную структуру, чем пленка А с максимумом отражения в желтой области.

322

7.8.Оптические свойства нанокомпозитов на основе пористого кремния

Среди разнообразных наноструктурированных сред следует особо отметить пористые полупроводники, образованные путем удаления части материала из объема. Возникающие при этом поры и остающиеся нанокристаллы имеют размеры от единиц до сотен нанометров. Согласно классификации Международного союза чистой и прикладной химии (IUPAC), пористые материалы принято разделять на микро-, мезо- и макропористые. К первым относят среды, характерные размеры пор и нанокристаллов в которых составляют менее 2 нм. Ко вторым – среды, в которых размеры пор лежат в интервале от 2 до 50 нм. К третьим – среды, для которых размер пор превышает 100 нм [47].

Кроме размера пор и кристаллитов важной характеристикой пористых сред является пористость – отношение объема пор к полному объему всей композитной среды.

Весьма важными характеристиками пористых слоев, существенным образом определяющими их физические свойства, также является расстояние между порами и их морфология.

Формирование пор производится при определенных режимах электрохимической обработки (травлении) полупроводников. При этом к полупроводнику прикладывается положительный потенциал, а к электролиту – отрицательный. Анодное травление зависит от обмена носителями заряда между полупроводником и электролитом и для начала процесса нуждается, по крайней мере, в одном положительном заряде – дырке.

Образование дырок неоднородно по поверхности полупроводника, что вызывает формирование сети пор, растущих в глубь кристалла. В результате на изначально однородной поверхности полупроводникового кристалла происходит распад фронта электрохимической реакции на множество изолированных микроскопических областей, устойчиво сохраняющихся даже на большой глубине.

Эффекты образования пор были выявлены для Si и Ge с n- и p-ти- пом проводимости, тогда как в GaAs, InP, GaP и CdSe – только с проводимостью n-типа. В более узкозонных соединениях А3В5: InSb, InAs

иGaSb образование пор не наблюдалось [47].

Кчислу важнейших свойств пористых полупроводников можно отнести меньшие, чем в объемных материалах, показатель преломле-

324

ния и диэлектрическую проницаемость, что представляет интерес как для создания различных оптических покрытий, так и для формирования сред с низкой диэлектрической проницаемостью (low-k dielectrics); а также весьма развитую поверхность и возможность их заполнения различными газами и диэлектрическими жидкостями.

Особого внимания заслуживают нанокомпозитные среды, в которых поры и нанокристаллы расположены более или менее упорядоченно и/или характеризуются анизотропной формой.

В том случае, когда размеры пор и нанокристаллитов много меньше длины волны излучения, наноструктурированный полупроводник можно рассматривать как однородную оптическую среду (эффективную среду), характеризующуюся некоторым эффективным показателем преломления, отличным от показателя преломления веществ, образующих наноструктуру. Композитные среды, у которых неоднородности периодически упорядочены, причем период сравним с длиной волны излучения, относят к фотонным кристаллам.

Варьируя режимы обработки, можно в широких пределах управлять структурными свойствами пористых полупроводников (пористостью, размерами и формой пор и нанокристаллитов) и, как следствие, их оптическими параметрами (показателем преломления, величинами двулучепреломления и дихроизма), а также толщиной формируемых пористых слоев, чтобы создать желаемые (оптимальные) оптические среды и устройства, включая ФК.

Среди разнообразных пористых оптических сред особое внимание привлекает пористый кремний в связи с перспективностью его использования для создания микрооптических элементов на кремниевом чипе.

Рассмотрим основные особенности пористого кремния (ПК), в основном следуя работам [47, 48].

7.8.1. Формирование пористого кремния

Впервые ПК был получен американским исследователем А. Улиром еще в 1956 году. Однако объектом многочисленных интенсивных исследований он стал, только начиная с 1990 года, когда англичанин Л. Кэнем связал фотолюминесценцию ПК с квантовыми– размерными эффектами в кремниевых нанокристаллах [49].

В большинстве случаев пленки ПК изготавливают с помощью анодного электрохимического травления пластин монокристаллического кремния (c-Si) с различными удельным сопротивлением и ориен-

325

тацией поверхности. При этом толщина слоя ПК определяется временем травления, а его пористость – плотностью тока травления j, составом электролита, типом и удельным сопротивлением исходной пластины c-Si. Характерные толщины пленок ПК составляют от единиц до сотен микрон. Поскольку для процесса травления необходимо наличие дырок, в случае Si n-типа требуется подсветка. Как правило, для формирования ПК используются плотности тока до 200 мА/см2, так как дальнейшее увеличение плотности тока переводит процесс травления из режима формирования пор в режим электрополировки, что, в свою очередь, используется для приготовления свободных (не связанных с кремниевой подложкой) пленок ПК путем резкого увеличения плотности тока выше 500 мА/см2.

Исследования микроструктуры ПК показали, что в процессе электрохимического травления c-Si: а) – рост пор происходит преимущественно в направлениях <100> (рис. 7.29) (этот эффект обусловлен анизотропией скорости травления c-Si в зависимости от кристаллографического направления), б) – не нарушается ближний порядок в расположении атомов кремния (т.е. в слоях ПК сохраняется кристаллическая структура кремния).

Рис. 7.29. Схематическое изображение расположения пор в ПК, полученном на пластинах с ориентацией поверхности (100) и (110)

При формировании ПК обрывающиеся химические связи терминируются водородом, а впоследствии в результате внешних воздействий происходит замена Si-Hx связей на Si-Ox.

Для полного окисления ПК, как правило, оказывается достаточным окисления на воздухе при температуре 950 С в течение 2.5 часов. Такая обработка позволяет сформировать пленки окисленного пористого кремния (ОПК), прозрачные в видимой области (в отличие от пленок ПК).

326

Воздушные промежутки в полупроводнике с высокой диэлектрической проницаемостью позволяют изготовить искусственную среду, показатель преломления n у которой изменяется в одном, двух или трех направлениях. Такие периодические структуры могут обладать существенной искусственной оптической анизотропией.

7.8.2.Двулучепреломление и дисперсия оптических параметров ПК

Монокристаллический кремний имеет высокосимметричную кристаллическую решетку типа алмаза и, как следствие, обладает ничтожным двулучепреломлением. У c-Si максимальная величина двулу-

чепреломления n n0 ne (где n0 и ne – показатели преломления

для обыкновенной и необыкновенной волн соответственно) достигается для световой волны, распространяющейся вдоль кристаллографиче-

ского направления [110] и составляет 5 10 6 .

Появление в оптически изотропном c-Si оптической анизотропии обусловлено наличием в ПК полостей с преимущественной ориентацией вдоль одного из кристаллографических направлений. Так, в случае сильнолегированного кремния p-типа электрохимическое травление характеризуется преимущественным ростом пор вдоль <100> кристаллографических направлений (рис. 7.29), что понижает симметрию пористого слоя по сравнению с c-Si и проявляется в возникновении так называемого «двулучепреломления формы». При этом для слоев ПК, полученных на подложке с ориентацией поверхности (100), оптическая ось будет направлена перпендикулярно плоскости пластины, а двулучепреломление становится заметным только при падении излучения на поверхность образца под углом к нормали.

Зависимости показателей преломления для обыкновенной и необыкновенной волн в ИК-диапазоне от угла падения излучения на пленку для ПК, сформированного на подложке с ориентацией (100), показаны на рис. 7.30, б. Видно, что данная пленка ПК проявляет положительный тип двулучепреломления, т. е. свойства положительного кристалла.

В случае травления пластин (p++–Si) с низкой симметрией поверхности, например (110) и (211), слои мезапористого кремния обладают свойствами одноосного кристалла, у которого оптическая ось лежит

327

в плоскости поверхности пластины и совпадает с кристаллографическим направлением [001], хотя анизотропия эффективного показателя преломления в этом случае меньше.

Как видно из рис. 7.30, а и б, при вращении образца вокруг оси [110] для излучения, поляризованного параллельно этой оси, показатель преломления практически не меняется, в то время как для излучения, поляризованного в одной плоскости с осью [001], показатель преломления зависит от угла падения излучения на образец.

Рис. 7.30. Зависимости показателей преломления в ИК диапазоне от угла падения излучения на пленку ПК, полученного на подложках с ориентациями поверхности (110) (а) и (100) (б). ,  и сплошные кривые соответствуют обыкновенной волне, ,  и штриховые кривые – необыкновенной волне [47]

Еще раз подчеркнем, что каждый кремниевый нанокристалл в слоях ПК является оптически изотропным, а появление двулучепреломления обусловлено исключительно анизотропией формы пор и нанокристаллов [47].

В свою очередь, величина двулучепреломления существенно зависит от пористости, значение которой можно определять в том числе и плотностью тока (рис. 7.31). Из рисунка видно, что увеличение пористости сопровождается уменьшением эффективных показателей преломления для обыкновенной и необыкновенной волн и ростом величины двулучепреломления n . Согласно [50] для высокопористых слоев

n может достигать 0.24 в ИК области при средней величине показателя преломления (no ne ) / 2 1.3, что в 1.6 раза превышает анало-

328

гичную величину для такого двулучепреломляющего кристалла, как исландский шпат ( n 0.15 ).

no, ne

J, мА см-2

Рис. 7.31. Зависимости: показателей преломления для обыкновенной –  и необыкновенной –  волн (а); величины двулучепреломления – , а также пористости – от

плотности тока травления j (б) [47]

Следует отметить, что тип двулучепреломления и расположение оптической оси зависят от морфологии пористого кремния, которая определяется не только ориентацией поверхности пленки и плотностью тока, но и уровнем легирования исходного c-Si. Так, использование c-Si с меньшим уровнем легирования (p+–Si, 20 – 100 мОм см) с ориентацией поверхности (110) приводит к тому, что хотя оптическая ось и лежит в плоскости поверхности пленки (как и для p++-Si), но сов-

329

падает с кристаллографическим направлением [1 10] [47]. Такая струк-

тура также проявляет свойства отрицательного двулучепреломляющего кристалла, но с ростом плотности тока травления и, следовательно, пористости величина двулучепреломления уменьшается [51]. Данные эффекты вызваны менее упорядоченным расположением пор в ПК, полученным на основе p+–Si.

Для оптимального использования пленок ПК необходимо знание зависимостей величин показателей преломления от длины волны излу-

чения. На рис. 7.32 приведены зависимости величин n0 и ne от длины

no, ne

, мкм

Рис. 7.32. Дисперсия показателей преломления в ПК, выращенном на подложке p++–Si с ориентацией (110): пористость 60 % (а), пористость 74 % (б). Экспериментальные значения показателей преломления для обыкновенной и необыкновенной волн обозначены

символами  и  соответственно [47]

330