WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 5 Исследование двулучепреломления в слоях пористого кремния методом инфракрасной Фурье-спектроскопии © Л.П. Кузнецова, А.И. Ефимова, Л.А. Осминкина, Л.А. Головань, В.Ю. Тимошенко, П.К. Кашкаров Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия E-mail: kuzl@vega.phys.msu.su (Поступила в Редакцию 28 июня 2001 г.) Методом инфракрасной Фурье-спектроскопии исследуется двулучепреломление в слоях пористого кремния, приготовленных при различных токах травления на подложке с ориентацией поверхности (110).

В полученных спектрах наблюдаются биения для интенсивности прошедшего и отраженного излучения, возникающие вследствие сложения интенсивностей обыкновенной и необыкновенной волн, интерферирующих в пористом слое. Анализ спектров показывает, что исследуемые слои проявляют свойства отрицательного односного кристалла, оптическая ось которого лежит в плоскости слоя. Для слоев с пористостью 80% величина разности показателей преломления обыкновенной и необыкновенной волн достигает 18%.

Экспериментальные результаты хорошо согласуются с расчетами на основе модели эффективной среды, учитывающей анизотропию расположения кремниевых нанокристаллов в пористом слое.

Работа поддержана программой „Полупроводниковые наноструктуры“ Министерства промышленности, науки и технологии РФ и грантом CRDF N RP2-2275.

В течение последнего десятилетия пористый кремний кристаллов с различными факторами заполнения в двух (ПК) является привлекательным объектом исследова- основных направлениях, лежащих в плоскости (110).

ния благодаря своим исключительным электронным и Тензор ДП системы нанокристаллов цилиндрической оптическим свойствам. В частности, ПК высокой по- формы теоретически анализируется в [8]. Однако приристости обнаруживает эффективную фотолюминесцен- менимость последней модели к реальным слоям ПК цию в видимом диапазоне [1], которая может рассмат- требует обоснования. Для развития адекватной модели, риваться как результат квантово-размерного эффекта описывающей двулучепреломление ПК, очевидно, тредля фотовозбужденных носителей заряда в кремниевых буются новые экспериментальные данные, в частности, нанокристаллах [2]. Поскольку размеры нанокристаллов зависимости величины анизотропии ДП данного материмного меньше длины волны в оптическом диапазоне, ала от степени его пористости. Кроме того, необходимо оптические свойства ПК характеризуются эффективной выяснить, является ли ПК положительным кристаллом диэлектрической проницаемостью (ДП). Последняя суили отрицательным.

щественно отличается от ДП кристаллического кремния Цель настоящей работы — детальное исследование вследствие удаления значительной части вещества [3].

явления двулучепреломления в слоях ПК ориентаОптические свойства ПК исследовались во многих рабоции (110), имеющих различную степень пористости. Для тах (см., например, [1–4]). Однако лишь недавно было этого использовался метод инфракрасной (ИК) Фурьеустановлено, что ПК обладает заметной оптической спектроскопии, позволяющий исследовать в широком анизотропией [5–7].

спектральном интервале отражение и пропускание слоев Как известно, кристаллический кремний относится к ПК при различных углах падения излучения.

кубической сингонии и является изотропной средой, однако его наноструктурирование при росте пор приводит 1. Методика эксперимента к возникновению оптической анизотропии. Причиной этого является преимущественный рост пор вдоль криСлои ПК изготавливались методом электрохисталлографических направлений [100] [2]. Приготовленмического травления монокристаллических пластин ные на подложках (100) слои ПК являются оптически p++-Si : B (удельное сопротивление 1.5m · cm) с ориизотропными при нормальном падении и проявляют двуентацией поверхности (110) в растворе HF (48%) с лучепреломляющие свойства при падении излучения под этанолом в соотношении (1: 1). Величина плотности углом к поверхности, что интерпретируется как „двулутока травления варьировалась в интервале от 10 до чепреломление формы“ [5]. Слои ПК, изготовленные на 100 mA/cm2, что соответствует пористости 60–80%. Вренизкосимметричных подложках, например, на пластинах ориентации (110), обладают сильным двулучепреломле- мя травления изменялось от 5 до 35 min, при этом толщины слоев составляли от 10 до 50 µm. Отделение нием при нормальном падении света [6,7]. В настоящее пленки от подложки осуществлялось путем резкого время в литературе нет законченной теоретической модели, описывающей явление двулучепреломления в увеличения плотности тока до 500 mA/cm2 в течение слоях ПК. В работе [7] данное явление объясняется нескольких секунд. Толщины отделенных слоев ПК конпространственным распределением кремниевых нано- тролировались на оптическом микроскопе.

Исследование двулучепреломления в слоях пористого кремния методом инфракрасной... Для измерения ИК спектров использовался Spect- Действительно, для одноосного кристалла с оптической rum RXI FT-IR (Fourier Transform Infrared) спектрометр осью, лежащей в плоскости слоя, интенсивности двух фирмы Perkin Elmer. ИК спектры пропускания и волн, обыкновенной и необыкновенной, каждая из котоотражения измерялись в диапазоне от 500 до 6500 cm-1 рых интерферирует в тонкой пленке, будут складываться (1.54-20 µm) с разрешением 4 cm-1. Спектры отраже- и в результате давать биения. Таким образом, для ния снимались при угле падения на образец, близком к нормального падения имеем нормальному. Спектры пропускания исследовались при различных углах падения. Эксперименты проводились 1 =, (1) d(no + ne) на воздухе при комнатной температуре.

2 =, (2) 2. Экспериментальные результаты 2d|no - ne| и их обсуждение где d — толщина слоя, no и ne — показатели преломления для обыкновенной и необыкновенной волн На рис. 1 представлены типичные спектры отражесоответственно. Простые оценки по формулам (1), (2) ния и пропускания слоев ПК с ориентацией поверхнодают значения no = 1.76 и ne = 1.58 для слоев, сти (110), полученные при использовании неполяризосформированных при плотности тока 50 mA/cm2. Для d ванного ИК излучения. В спектрах пропускания присутв пределах от 10 до 60 µm показатели преломления ствуют линии, соответствующие поглощению на Si–Hx не зависели от толщины слоя. Образцы обладали стасвязях (2050–2150, 910, 610–630 cm-1) и Si–O–Si бильными оптическими свойствами в течение многих связях (1070–1190 cm-1) [3]. В спектрах хорошо видны месяцев после изготовления.

периодические осцилляции интенсивности сигнала, соОтметим, что, хотя измерения с неполяризованным ответствующие интерференции в тонком слое. Амплитусветом и позволяют определить no и ne, связать эти да этих осцилляций промодулирована биениями, период величины с кристаллографическими направлениями искоторых совпадал для случаев пропускания и отражения.

ходного кристалла кремния возможно только с приДля контрольных слоев ПК, изготовленных на подложке менением поляризованного излучения. Поляризационориентации (100), при измерении спектров подобных ные измерения проводились в спектральном интервале биений не наблюдалось. Возникновение биений в слу4000–6000 cm-1 (1.66-2.5 µm). В спектрах пропускачае слоев с ориентацией поверхности (110) можно ния, полученных с использованием поляризаторов, биобъяснить сложением интенсивностей обыкновенной и ения отсутствовали, что давало возможность опреденеобыкновенной волн, интерферирующих в пористом лить показатели преломления для различных направслое.

лений поляризации. Таким образом, например, удалось Наблюдаемые биения могут быть охарактеризованы установить, что для излучения, поляризованного вдоль „малым“ ( 1) и „большим“ ( 2) периодами (рис. 1).

оси [001], величина показателя преломления минимальПериоды биений легко связать с показателями пре- на, тогда как вдоль оси [110] она максимальна.

ломления для обыкновенной и необыкновенной волн.

Более точным методом анализа картины биений в слое ПК с целью нахождения величин no и ne является использование быстрого преобразования Фурье.

Для анализа использовались продифференцированные по волновому числу спектры отражения и пропускания, что позволило избавиться от постоянной составляющей и уменьшить вклад линий поглощения, обусловленных поверхностными молекулярными группами. Частоты соответствующих компонент Фурье-спектра o,e связаны с показателями преломления простым соотношением:

o,e = 4dno,e. Это позволяет легко определить значения no и ne.

Рис. 2 иллюстрирует результат Фурье-анализа спектров пропускания при разных углах падения. Обра зец вращался вокруг кристаллографической оси [110].

На основе данных Фурье-анализа были определены величины показателей преломления, причем принималась во внимание зависимость частот компонент ФурьеРис. 1. ИК спектры пропускания (T ) и отражения (R) слоя спектра от угла падения излучения на образец :

пористого кремния, изготовленного на подложке с ориентаo,e = 4d(n2 - sin2 )1/2. Хорошо видно, что соотцией поверхности (110). Спектры получены при использова- o,e ветствующая меньшей величине показателя преломлении неполяризованного излучения. Плотность тока травления j = 50 mA/cm2, толщина слоя d = 16 µm. ния Фурье-компонента при увеличении угла падения Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 782 Л.П. Кузнецова, А.И. Ефимова, Л.А. Осминкина, Л.А. Головань, В.Ю. Тимошенко, П.К. Кашкаров Рис. 2. Фурье-анализ ИК спектров пропускания слоя пористого кремния (d = 48 µm, j = 50 mA/cm2), полученных при вращении слоя пористого кремния вокруг направления, перпендикулярного оптической оси. На вставке: точки — экспериментальные зависимости величин показателя преломления для обыкновенной и необыкновенной волн от угла падения на образец, линии — результат теоретических расчетов величин no, ne на основе модели эффективной среды.

сдвигается в сторону больших значений показателя Штриховая линия на вставке к рис. 2 представляет запреломления. Как известно, для необыкновенной волны висимость показателя преломления для необыкновенной фазовая скорость и, следовательно, показатель прелом- волны от угла падения, рассчитанную по формуле [10], ления ne зависят от направления волнового вектора в neno кристалле. Поэтому следует сделать вывод о том, что ne(in) =, (3) n2 sin2 in + n2 cos2 in меньшая величина показателя преломления соответствуe o ет необыкновенной волне, т. е. исследуемая двулучепрегде in — угол между волновым вектором в слое ломляющая пленка проявляет свойства отрицательного ПК и нормалью к поверхности. Наблюдается хорошее кристалла, оптическая ось которого совпадает с кристалсовпадение рассчитанной зависимости ne() с эксперилографической осью [001]. Отметим, что при достаточно ментальными данными, что количественно подтверждает больших углах падения излучения на образец ( 50) сделанный ранее вывод о том, что исследуемый слой наблюдается исчезновение Фурье-компоненты, отвечаюявляется отрицательным одноосным кристаллом.

щей необыкновенной волне. Этот факт легко объясняОчевидно, что анизотропия слоев ПК зависит от их ется приближением к углу Брюстера. Действительно, пористости. Для того чтобы исследовать эту зависи поскольку образец поворачивается вокруг оси [110], мость, использовались образцы ПК, изготовленные с необыкновенная волна является p-поляризованной, слеразной плотностью тока травления и, следовательно, довательно, с ростом коэффициент отражения падает, обладающие различной пористостью. На рис. 3 представчто в свою очередь приводит к уменьшению амплитуды лены величины показателей преломления для обыкносоответствующей Фурье-компоненты [9].

венной и необыкновенной волн (рис. 3, a) и их разность На вставке к рис. 2 показаны определенные в резуль n = no - ne (рис. 3, b) в зависимости от плотности тате эксперимента величины no, ne для различных углов тока j. Уменьшение показателей преломления no и ne с падения. Легко заметить, что показатель преломления ростом j, очевидно, связано с увеличением пористости для обыкновенной волны в пределах погрешности не изслоя ПК. Оценки пористости исследуемых слоев по меняет своей величины, а величина показателя преломданным обзора [3] приведены на рис. 3 для некотоления для необыкновенной волны растет с увеличением рых значений j. Увеличение плотности тока приводит угла падения на образец. Отметим, что погрешность также к росту разности показателей преломления n, экспериментальных данных в такой процедуре определя- которая в спектральном диапазоне 1.5-8 µm достигает ется полушириной линии соответствующей компоненты значения 0.24 при среднем показателе преломления Фурье-спектра. n =(no+ne)/2 = 1.3 для j = 100 mA/cm2. Полученные Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. Исследование двулучепреломления в слоях пористого кремния методом инфракрасной... лирования различных показателей преломления в плоскости слоя, соответствующих колебаниям вектора напряженности электрического поля в направлении вдоль оптической оси и перпендикулярно ей, использовались различные факторы заполнения f и f соответственно.

e o При этом накладывалось условие: ( f + f )/2 = 1 - p.

o e Отсюда с учетом формулы (4) и дисперсии кристаллического кремния Si [13] рассчитывались значения ne, no и их разность n. Спектральные зависимость n для образцов двух пористостей показаны линиями на рис. 4.

Из рисунка видно, что величина n в диапазоне от до 10 µm слабо возрастает с уменьшением длины волны, что согласуется с экспериментальными данными.

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что величина двулучепреломления в исследуемых слоях ПК столь велика, что значительно превышает изменение показателя преломления, обусловленное нормальной дисперсией вещества. Это кардинальным образом отличается от ситуации, известной для большинства полупроводников, что открывает новые возможности применения анизотропных пористых сред в нелинейной оптике. В частности, используя их двулучепреломляющие свойства, можно достичь фазового Рис. 3. a — зависимости показателей преломления для синхронизма для нелинейно-оптических процессов в обыкновенного и необыкновенного лучей в слоях пористого кремния от плотности тока их формирования. b — зависимость таких средах. Действительно, как было нами недавно разности показателей преломления n = no - ne в слоях обнаружено [14], эффективность генерации второй гарпористого кремния от плотности тока их формирования. Вблимоники значительно возрастает для анизотропных слоев зи экспериментальных точек указана в процентах величина ПК ориентации (110) по сравнению с ПК, сформированпористости для исследуемых слоев ПК по данным обзора [3].

ным по подложках другой ориентации, например (100).

Линии проведены для удобства восприятия.

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.