Наноэлектроника лит-ра / dragunov

волны излучения, определенные из спектров пропускания при нормальном падении линейно поляризованного света на поверхность пленок ПК с пористостью около 60 и 74 %, полученные при травлении (110) p++–Si. Такие зависимости соответствуют нормальной дисперсии показателя преломления.

Измерения коэффициента поглощения ПК в диапазоне 0.54…0.82 мкм в пленках, изготовленных на пластинах p++–Si с ориентацией поверхности (110), показали, что для излучения, поляризован-

ного вдоль кристаллографического направления [1 10] , эта величина выше, чем для излучения, поляризованного вдоль [001] , причем с уменьшением длины волны величина дихроизма k Imn0 Imne возрастает (рис. 7.33).

k

, мкм

Рис. 7.33. Дисперсия величины дихроизма в (110) ПК, пористость 74 % [47]

В целом приведенные зависимости показывают, что пленки ПК, обладающие двулучепреломлением, в области прозрачности кремния с успехом могут применяться для создания фазовых (полу- и четвертьволновых) пластинок. В свою очередь, пористая микроструктура слоев обусловливает высокую чувствительность величины двулучепреломления к заполнению пор диэлектрическими жидкостями (например, в результате конденсации), что делает такие двулучепреломляющие слои перспективными для использования в качестве основного элемента оптических сенсоров конденсации.

331

7.8.3. Двулучепреломление окисленного ПК

При всех достоинствах двулучепреломляющих структур на основе ПК следует отметить и серьезное ограничение – непрозрачность таких структур в видимом диапазоне. Как уже отмечалось, этот недостаток может быть преодолен путем окисления слоев ПК. При этом кремниевые нанокристаллы заменяются аморфным оксидом кремния, однако более или менее упорядоченное расположение пор при этом сохраняется. Как следствие, слои окисленного пористого кремния обладают двулучепреломлением, хотя его величина и уменьшается почти на порядок.

Величина двулучепреломления ОПК возрастает с увеличением плотности тока травления (рис. 7.34), т.е. с ростом пористости исходных образцов ПК. Из рисунка видно, что величина двулучепреломления ОПК может достигать 0.025, что более чем в два раза превышает анизотропию кристаллического кварца [48]. Из особенностей следует также отметить более сильную по сравнению с ПК зависимость пористости ОПК от плотности тока травления, что, по-видимому, объясняется «зарастанием» пор при окислении низкопористых слоев ПК.

Более детальная информация о поведении показателей преломления ОПК может быть получена из анализа спектров пропускания поляризованного ИК излучения. На рис. 7.35 приведены дисперсионные

n

J, мА см-2

Рис. 7.34. Зависимость двулучепреломления слоев окисленного пористого кремния от плотности тока [47]

332

no, ne

, мкм

Рис. 7.35. Экспериментальные и расчетные дисперсионные зависимости показателей преломления ОПК для обыкновенной ( и штриховая кривая) и необыкновенной волн ( и сплошная кривая). На врезке показана зависимость величины двулучепреломления от длины волны:

расчет – сплошная линия, ▲ – эксперимент [47]

зависимости показателей преломления для обыкновенной и необыкновенной волн в ИК диапазоне. Анализ приведенных дисперсионных зависимостей позволяет предположить, что слой ОПК, сформированный на основе ПК с ориентацией (110), также будет проявлять свойства отрицательного одноосного кристалла, а его оптическая ось будет совпадать с направлением [001]. Кроме того, в эксперименте, когда направление поляризации излучения совпадало с кристаллографической осью [001] исходной пластинки c-Si, величины показателей преломления оказывались меньше, чем в случае, когда направление поляризации

излучения совпадало с кристаллографической осью [1 10] , что не про-

тиворечит выдвинутому выше предположению [47].

Таким образом, наноструктуры на основе ОПК также могут найти свое применение в качестве фазовых пластинок в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах.

333

7.8.4. Одномерные фотонно-кристаллические структуры на основе ПК

Современные технологии получения пористых полупроводников позволяют создавать композитные среды на основе ПК, в которых чередование областей с различными показателями преломления происходит периодически, причем размеры пор и/или кристаллитов в них сравнимы с длиной волны излучения.

Поскольку пористость и эффективные показатели преломления определяются плотностью тока при электрохимическом травлении c-Si, то, периодически варьируя эту величину, можно создавать структуры с периодически чередующимися слоями различной пористости и, следовательно, различными показателями преломления, т.е. сформировать одномерный фотонный кристалл.

На рис. 7.36 приведены спектры отражения многослойной структуры на основе ПК с различными периодами и различным количеством периодов. Видно, что спектральное положение максимума коэффициента отражения (а значит, и положение ФЗЗ) существенно зависит от периода структуры (рис. 7.36, а–в), а величина коэффициента отражения и крутизна границ ФЗЗ определяются числом периодов в многослойной структуре (рис. 7.36, г–е). Отметим, что нарушение периодичности структуры (аналог дефекта в твердом теле) ведет к появлению узких полос пропускания в спектрах ФК.

Используя двулучепреломляющие слои ПК, можно сформировать одномерный ФК, у которого положение ФЗЗ зависит от поляризации [47, 52]. Спектры отражения для соответствующей многослойной структуры на основе ПК приведены на рис. 7.37. Такие многослойные структуры могут быть полезны для создания дихроичных зеркал и фильтров [47].

Возможность управления дисперсией многослойных структур вызывает большой интерес к ним в связи с появлением большей свободы в управлении с помощью таких структур распространением сверхкоротких импульсов, обеспечивая отсутствие их расплывания или даже компрессию.

Многослойную структуру, состоящую из конечного числа слоев, можно характеризовать эффективным показателем преломления

nэфф Kc/ (где K – эффективный волновой вектор, определяемый дисперсией всей структуры как целого, c – скорость света в вакууме), а так-

Рис. 7.36. Спектры отражения многослойной структуры на основе ПК с различными периодами (толщина слоев увеличивается от а к в) (а–в); спектры отражения многослойной структуры на основе ПК для различного

количества периодов: 3 (г), 6 (д), 12 (е) (г–е)

, см-1

Рис. 7.37. Спектры отражения для многослойной структуры на основе анизотропного ПК [47]

335

порядка. На рис. 7.38, б–г приведены эти параметры, определенные в [39] для структуры, состоящей из 12 чередующихся пар слоев ПК низкой и высокой пористости. В расчетах авторы [39] полагали, что показатели преломления и толщины слоев составляли соответственно:

n1 1.42 , d1 110 нм, n2 1.22 , d2 127 нм. Измеренный спектр отражения этой структуры приведен на рис. 7.38, а.

u/c

Рис. 7.38. Зависимости спектра отражения (а) действительной и мнимой частей эффективного показателя преломления (б) величины u / K , нормированной на скорость света (в) и величины k2 – многослойной структуры на основе ПК [100] (г) [47]

336

Из рис. 7.38, в видно, что у края ФЗЗ можно достичь низкого значения групповой скорости лазерного импульса, что, в свою очередь, приведет к усилению локального поля и, следовательно, к повышению эффективности многих нелинейно-оптических процессов. Кроме того,

полученные высокие значения параметра k2 означают, что управление

фазой и компрессия короткого светового импульса могут осуществляться на сравнительно небольшом расстоянии, что позволяет создавать на основе ПК компактные оптические компрессоры и иные устройства для фазомодулированных импульсов [47, 53].

Как и в случае пленок ПК, у ФК для перехода в видимый диапазон можно использовать окисление структур. На рис. 7.39 приведены спектры пропускания исходной структуры, изготовленной из чередующихся слоев ПК разной пористости, и структуры, полученной из нее в результате прогрева при температуре 950 С в течение 2 часов. Видно, что поскольку показатель преломления ОПК меньше, чем у ПК, положение ФЗЗ смещается в синюю сторону (с 3000 до 4500 см–1). При этом качество структуры не испытывает заметного ухудшения: пропускание ФЗЗ остается предельно низким, и в спектре сохраняются резонансы пропускания вне ФЗЗ [47].

T

, см-1

Рис. 7.39. Спектры пропускания многослойной структуры на основе ПК: исходной – 1 и полученной в результате ее термического окисления – 2 [47]

337

7.8.5.Двух- и трехмерные фотонно-кристаллические структуры на основе ПК

Как уже отмечалось, на основе кремния могут быть созданы двух- и трехмерные фотонные кристаллы (см. рис. 7.17, 7.20). Например, в [54] показана возможность образования латеральных периодических структур, использующая фоточувствительность процесса травления и интерференционную картину, создаваемую лазерными лучами (см. рис. 7.18). В периодических структурах вид спектров отражения и пропускания зависит от кристаллографической ориентации ФК. Благодаря высокой упорядоченности пор и кремниевых элементов в ФК он должен проявлять свойства среды с высоким двулучепреломлением, обусловленным наличием полостей с преимущественной ориентацией вдоль выделенных направлений. Так, в двумерном ФК на основе макропористого кремния [55] – это цилиндрические каналы, вытянутые параллельно кристаллографической оси <100> (см. рис. 7.29). Образующаяся в этом случае среда обладает высокой анизотропией эффективного показателя преломления. Так, в ФК с радиусом поры 0.644 мкм и расстоянием между порами 1.5 мкм величина двулучепреломления достигает 0.366. Однако поскольку в таких структурах оптическая ось направлена перпендикулярно плоскости пластины, работа с такими ФК затруднительна, так как образец приходится освещать со стороны довольно тонкого торца [56].

Более удобная структура была предложена в работах [50, 57]. Это микро- и мезопористый кремний, полученный анодным травлением c-Si, ориентированного в плоскости (110). В этом случае оптическая ось кристалла расположена в плоскости пластины, что значительно удобнее.

Максимальная величина двулучепреломления должна достигаться в периодической структуре, образованной параллельными слоями монокристаллического кремния, разделенными канавками с вертикальными стенками (щелями) (рис. 7.40) и характерными толщинами порядка нескольких микрон [56, 58]. Двулучепреломление в ней проявляется при нормальном падении света на пластинку, в то время как при освещении с торца перпендикулярно щелям такая среда ведет себя как одномерный ФК.

На рис. 7.41 приведены спектры отражения и пропускания, полученные в [56] при разной поляризации света: когда вектор электри-

ческого поля параллелен E|| и перпендикулярен E щелям, что

338

в

Рис. 7.40. Щелевой кремний:

а – изображение в сканирующем электронном микроскопе (сечение перпендикулярно щелям); б – вид сверху в оптическом микроскопе (стрелками показано положение поляризатора и анализатора при исследовании пропускания света с диагональной поляризацией [56]; в – образец в разрезе и схема оптических измерений

в поляризованном свете [56]

соответствует распространению внутри структуры обыкновенной и необыкновенной световых волн. Видно, что отражение при E|| выше,

чем при E . Следовательно, показатель преломления обыкновенного луча n0 больше, чем необыкновенного ne . Таким образом, такая ще-

левая структура является эффективной средой, представляющей собой отрицательный одноосный кристалл, оптическая ось которого перпендикулярна кремниевым стенкам.

339

Рис. 7.41. Спектральные зависимости коэффициентов отражения (а) и пропускания (б) щелевой структуры для двух поляризаций E|| и E , соответ-

ствующих распространению обыкновенных и необыкновенных волн [56]

Теоретически задача об анизотропии формы в приближении системы тонких параллельных пластин рассмотрена в [59]. Полагая, что размеры кремниевых ребер l и b (рис. 7.40, в) велики, а толщина стенок dSi и промежутков между ними dair a dSi много меньше длины

волны излучения , выражения для эффективной диэлектрической проницаемости можно представить в виде [56]

– для поляризации света, когда вектор электрического поля E перпендикулярен щелям, и

|| f1 1 f2 2

– когда вектор E параллелен щелям. Здесь f1 dSi / a и f2 dair / a – факторы заполнения кремнием и воздухом (пористость) соответственно, 1 и 2 – диэлектрические проницаемости кремния и воздуха соот-

ветственно. Отсюда следует, что разность двух эффективных диэлектрических проницаемостей для такой структуры всегда положительна: