WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 6 Фотонные кристаллы с перестрaиваемой запрещенной зоной на основе заполненных и инвертированных композитов опал–кремний © В.Г. Голубев¶, В.А. Кособукин, Д.А. Курдюков, А.В. Медведев, А.Б. Певцов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 29 ноября 2000 г. Принята к печати 30 ноября 2000 г.) Выполнены синтез и структурный анализ трехмерных композитов опал–кремний как с прямой (с разными степенями заполнения пор опала кремнием), так и инвертированной структурой. В диапазоне длин волн 400-900 нм измерены спектры зеркального отражения света от ростовых поверхностей (111) синтезированных композитов. Наблюдаемые спектральные особенности изучены теоретически и интерпретированы как проявление фотонной запрещенной зоны в направлении [111], перестрaиваемой по положению и ширине в видимом и ближнем инфракрасном спектральном диапазоне.

В последнее время все возрастающее внимание уде- Еще большее увеличение возможно при инвертироляется фотонным кристаллам — структурам, в которых вании опала, под которым понимается удаление SiO2 диэлектрическая проницаемость модулируется с перио- из приготовленного (прямого) композита опал–полупродом, сравнимым с длиной волны света [1]. Брэгговская водник [14,15]. Результатом этого является образование дифракция собственных электромагнитных состояний трехмерной полупроводниковой решетки, занимающей блоховского типа на краю зоны Бриллюэна таких струк- до 26% объема и находящейся в матрице из воздушных тур приводит к возникновению фотонной запрещенной шаров, занимающих до 74% объема. Среди различных зоны (photonic band gap) для излучения [2,3]. При на- полупроводниковых наполнителей кремний привлекает личии полной запрещенной зоны распространение света особое внимание благодаря перспективе создания кремв фотонном кристалле подавлено в любом направлении ниевых фотонных кристаллов, интегрируемых в станв спектральном диапазоне, совпадающем с запрещенной дартную технологию микроэлектроники [4].

зоной. Это особенно важно для возможных применений Цель данной работы — синтез композитов опал–кремфотонных кристаллов (в системах оптической связи ний с прямой и инвертированной структурой и изучеи передачи информации [4,5], лазерной технике [6], ние возможности создания на их основе фотонных квантовых компьютерах [7]). С точки зрения фотоннокристаллов с запрещенной зоной, перестраиваемой по кристаллических свойств весьма перспективными матеположению и ширине в широком диапазоне длин волн.

риалами считаются синтетические опалы. Это обуслоПоследнее условие достигается в синтезированных комвлено как технологичностью их приготовления, так и позитных структурах благодаря существенному варьировозможностью существенного варьирования оптических ванию величины контраста и ”среднего” значения дисвойств [8–12].

электрической проницаемости. Для демонстрации этих Синтетические опалы имеют структуру гранецентриположений были проведены экспериментальные исслерованной кубической решетки, которая образована плотдования спектров отражения света от синтезированных но упакованными шарами аморфного SiO2 диаметром композитов, показывающие наличие характерных спектв пределах 150-1000 нм [13,14]. В опалах на долю ральных особенностей. Теоретически эти особенности пор, образующихся между шарами, может приходиться интерпретированы как проявление фотонной запрещендо 26% полного объема (при точечном контакте между ной зоны для ”одномерного” распространения световой шарами SiO2). Это позволяет изменять показатель волны в высокосимметричных (плоскость (111) в нашем оптического контраста материала = v/s [15] случае) направлениях периодической диэлектрической путем введения различных наполнителей в поры (здесь структуры.

s и v — объемные показатели преломления в Для синтеза композитов в качестве исходных матриц шарах SiO2 и вне их соответственно). Согласно теоретимы использовали коммерчески выпускаемые опалы с ческой оценке [15], образование полной фотонной запредиаметром шаров SiO2 230 нм. Образцы имели полидощенной зоны возможно при 2.8. В чистых опалах, менную структуру, причем размер одного домена с выгде имеет значительно меньшую величину, реализасокой степенью упорядоченности шаров SiO2 составлял ция полной фотонной запрещенной зоны, по-видимому, 30-100 мкм. Предварительный анализ с помощью сканевозможна [15]. Поэтому в качестве наполнителя нирующей электронной микроскопии показал (рис. 1, a), следует использовать материалы с большой диэлектричечто контакты между шарами SiO2 — точечные, а доской проницаемостью, в частности полупроводниковые, ступный для заполнения объем пустот составляет притакие как InР, Si, Ge (композиты, полученные путем мерно 26%. Кремний вводился в поры опаловой мазаполнения пор, далее называются прямыми опалами).

трицы методом термического разложения газовой смеси ¶ E-mail: golubev@gvg.ioffe.rssi.ru силана (5%) с аргоном (детали технологии описаны Фотонные кристаллы с перестраиваемой запрещенной зоной на основе заполненных... нять степень заполнения пор кремнием. Этот технологический прием предполагается использовать в будущем для оптимизации фотонных свойств инвертированных структур. В частности, расчет показывает [15], что при неполном заполнении пор опала кремнием возможно двукратное увеличение ширины полной запрещенной зоны.

При анализе оптических свойств мы предполагаем, что в структурах на основе опалов вследствие периодической модуляции диэлектрических свойств собственные электромагнитные состояния имеют характер блоховских волн. В эксперименте при зеркальном отражении света регистрируется то состояние, которое возбуждается на длине волны падающего света и приводит к переизлучению света в зеркальном направлении. Как в задаче о пропускании света [20], одномерный характер отражения света позволяет воспользоваться моделью фотонного кристалла в виде диэлектрической сверхрешетки, аналогичной электронной модели Кронига–Пенни [21]. В случае бесконечной структуры это приводит к дисперсионному уравнению cos(qd) = cos(k1a) cos(k2b) Рис. 1. Изображения в сканирующем электронном микроскопе 1 1 - + sin(k1a) sin(k2b) (1) поверхности (111) незаполненного опала (a) и инвертиро2 2 ванной структуры, полученной вытравливанием сфер SiO2 из композита опал–кремний (b).

для электромагнитных блоховских состояний с квазиволновым числом q (ср. с теорией оптических филь тров [22]). Здесь ki = i(/c), i — диэлектрическая проницаемость, равная 1 в слое толщиной a и 2 в слое ранее в наших работах [16–18]). В результате на толщиной b, причем период структуры d = a + b.

поверхности шаров SiO2 образовывалась пленка кремния Одной из трудностей теории является неприменимость равномерной толщины. Степень заполнения пор между длинноволнового приближения ”эффективной среды” к шарами могла изменяться в пределах от нуля до 100% фотонным кристаллам с d 2c/. Это означает, в зависимости от параметров технологического прочто хотя диэлектрические проницаемости (показатели цесса. При этом толщина области со 100-процентным преломления) компонент фотонного кристалла хорошо заполнением достигала 0.4 мм. Разработанная технология определены, соответствующие пространственно усредпозволяла также получать образцы и с переменным ненные величины имеют ограниченный смысл. Причиной профилем заполнения по толщине образца. В дальнейявляется сильная модуляция электромагнитного поля шем образцы подвергались отжигу при температуре в пределах элементарной ячейки. Однако, несмотря на T = 800C и давлении 1 Торр в воздушной атмосфере.

указанные ограничения, ”средние” значения диэлектриНа основании рентгеноструктурных, электронно-микроческих параметров удобно использовать для иллюстраскопических и рамановских исследований было устации поведения ширины и положения запрещенной зоны новлено, что кремниевая пленка имеет смешанный электромагнитных состояний фотонного кристалла.

аморфно-нанокристаллический фазовый состав [16,18].

Имея это в виду, свойства структур на основе опаНа рис. 1 приведены изображения поверхности (111) лов, проявляющиеся при отражении света по нормали незаполненного опала и инвертированной структуры, к ростовой поверхности (111), будем характеризовать полученные в сканирующем электронном микроскопе.

”усредненной” диэлектрической функцией Инвертированная структура была приготовлена из композита опал–Si вытравливанием SiO2 водным раство(z) =sS(z) +v 1 - S(z), (2) ром плавиковой кислоты, как описано в [19] (аналогичная процедура инвертирования опалов, заполненных зависящей от координаты z вдоль нормали к поверхкремнием, использовалась в работе [14]). Отобранные ности образца. Здесь s и v относятся к материалам, для дальнейших исследований образцы имели разме- заполняющим объем шаров и пор, причем в случае ры 550.4мм3. Оптический контраст в инвертирован- неоднородного заполнения указанных объемов берутся ных структурах составлял 3.5. Как уже отмечалось соответствующие объемно усредненные значения. Геовыше, разработанная технология позволяет плавно изме- метрия структуры задается радиусом шаров r и их Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 712 В.Г. Голубев, В.А. Кособукин, Д.А. Курдюков, А.В. Медведев, А.Б. Певцов s = 1.37. Теоретические спектры отражения по нормали к поверхности (111), приведенные на рис. 2, a, отчетливо выявляют наличие запрещенной зоны (представлены данные только для первой запрещенной зоны).

Сплошные кривые, соответствующие пренебрежимо малому поглощению, демонстрируют полное отражение, связанное с наличием запрещенной зоны для распространения света. При учете поглощения (штриховые кривые) форма спектра изменяется, но положение и ширина спектральных особенностей приблизительно сохраняются в пределах соответствующих запрещенных зон. Общее представление о параметрах запрещенной фотонной зоны дает рис. 2, b. На нем показаны ширина и положение двух первых (по энергии) запрещенных зон при варьировании параметра = v/s в отсутствие поглощения в структуре.

Для экспериментальной проверки этих оценок были измерены спектры зеркального отражения света синтезированных материалов от поверхности (111). Чтобы Рис. 2. Теоретические оценки: a — коэффициент отражения исключить вклад в измеряемый сигнал, обусловленный света по нормали к ростовой поверхности (111) композитов полидоменной структурой исследуемых образцов, мы на основе опала; b — положение и ширина двух низших по применили технику оптического микроскопа [24]. Свет энергии запрещенных зон (I и II) при варьировании параметра от лампочки накаливания при нормальном угле паде = v/s ( v — объемный показатель преломления ния фокусировался на образце микрообъективом. Этот наполнителя и s = 1.37 для шаров SiO2). a — коже объектив собирал отраженный свет и одновременэффициент отражения вычислялся без учета границы раздено фокусировал изображение поверхности образца с ла вакуум/опал; сплошные кривые соответствуют отсутствию увеличением примерно 50x на промежуточной щели, поглощения, штриховые соответствуют значениям объемного установленной перпендикулярно входной щели спектрокоэффициента поглощения наполнителя: 1 — 0 (вакуум), 2 —0.1 (частичное заполнение пор кремнием, показатель пре- метра. Телесный угол, при котором проводились из ломления = 3.7), 3 — 0.24 (полное заполнение пор мерения, не превышал 6. Плоскость промежуточной Si кремнием, Si = 3.5). На вставке (b) — схема аппроксищели проецировалась на плоскость входной щели с мации профиля диэлектрической проницаемости в отсутствие помощью кварцевого световода. Варьируя величину распоглощения.

упаковкой в гранецентрированной кубической структуре. Функция заполнения S(z) определяет, какая часть плоскости в сечении, заданном координатой z, занята шарами. Дальнейший качественный анализ проводился на основе уравнения (1), в котором параметры i аппроксимировались на основе (z) из (2) при фикси рованном соотношении между a и b и условии, что для направления [111] в опалах d = r 8/3. При такой аппроксимации методом матриц переноса (задача ставится аналогично [23]) вычислялись зонный спектр и такие наблюдаемые оптические характеристики, как коэффициенты отражения и пропускания света.

Рис. 3. Измеренные (сплошные линии) и рассчитанные В рамках описанной выше модели мы предварительно (штриховые линии) при нормальном падении света спектры отражения от плоскости (111) композитных структур на осноисследовали теоретически влияние величины объемного ве опалов: 1 — незаполненная, 2 — частично заполненная показателя преломления наполнителя v на спектралькремнием, 3 — полностью заполненная кремнием, 4 — инную зависимость коэффициента отражения (рис. 2, a) и вертированная. Коэффициент отражения вычислялся без учета на положение и ширину запрещенных зон (рис. 2, b).

границы раздела вакуум/опал. 1–3 — специально подготовленВ качестве v для кремния использовались известная полированная поверхность, измерения методом оптической ные комплексные показатели преломления объемных микроскопии [24]; 4 — неполированная поверхность. Из экспеобразцов с учетом сильной дисперсии в исследуемой риментальных спектров удален фон, связанный с диффузной спектральной области. Для шаров SiO2 в опале принято компонентой отраженного света.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Фотонные кристаллы с перестраиваемой запрещенной зоной на основе заполненных... крытия взаимно перпендикулярных щелей, мы выбирали [10] H. Mguez, C. Lpez, F. Meseguer, A. Blanco, L. Vzquez, R. Mayoral, M. Ocaa, Y. Forns, A. Mifsud. Appl. Phys. Lett., для исследований область на поверхности образца в 71, 1148 (1997).

пределах одного домена. На рис. 3 приведены экспери[11] Yu.A. Vlasov, V.N. Astratov, A.V. Baryshev, A.A. Kaplyanskii, ментальные спектры для опалов четырех типов: незаполO.Z. Karimov, M.A. Limonov. Phys. Rev. E, 61, 5784 (2000).

ненного, частично заполненного кремнием, полностью [12] S.G. Romanov, H.M. Yates, M.E. Pemble, R.M. De La Rue.

заполненного кремнием и инвертированного. По мере J. Phys: Condens. Matter, 12, 8221 (2000).

увеличения контраста спектры отражения сдвигаются [13] В.Н. Богомолов, Д.А. Курдюков, А.В. Прокофьев, С.М. Сав длинноволновую сторону и уширяются. Эти закономойлович. Письма ЖЭТФ, 63, 520 (1996).

мерности подтверждаются теоретическими расчетами, [14] A. Blanco, E. Chomski, S. Grabtcak, M. Ibisate, S. John, результаты которых показаны штриховыми линиями на S.W. Leonard, C. Lpez, F. Meseguer, H. Mguez, J.P. Mondia, G.A. Ozin, O. Toader, H.M. van Driel. Nature, 405, рис. 3. Теоретические спектры подгонялись под экспери(2000).

ментальные путем небольших вариаций мнимой части [15] K. Bush, S. John. Phys. Rev. E, 58, 3896 (1998).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.