WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 7 Оптические исследования двумерного фотонного кристалла с квантовыми точками InAs/InGaAs в качестве активной области © С.А. Блохин+¶, О.А. Усов+, А.В. Нащекин+, Е.М. Аракчеева+, Е.М. Танклевская+, С.Г. Конников+, А.Е. Жуков+, М.В. Максимов+, Н.Н. Леденцов+,, В.М. Устинов+ + Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Institut fur Festkorperphysik, Technische Universitat, D-10623 Berlin, Germany (Получена 24 ноября 2005 г. Принята к печати 8 декабря 2005 г.) Двумерный полупроводниковый фотонный кристалл с гексагональной решеткой субмикрометровых отверстий изготовлен путем травления планарной структуры GaAs/AlGaAs, содержащей квантовые точки InAs/InGaAs в волноводном слое. Путем анализа спектров отражения при различных углах падения и поляризации света определена структура фотонных зон. Фано-резонансы, обнаруженные в спектрах отражения при ТМ (ТЕ) поляризации вдоль направления симметрии -K ( -M), связаны с резонансным взаимодействием оптически активных фотонных зон с падающим светом. Зонная структура радиационных мод утечки исследована путем измерения угловой зависимости интенсивности фотолюминесценции. Обнаруженное трехкратное увеличение интенсивности фотолюминесценции на резонансной частоте фотонного кристалла объяснено эффектом Пурселя.

PACS: 42.70.Qs, 78.67.Hc, 78.66.Sq, 78.20.Ci 1. Введение Эти необычные оптические свойства в совокупности с возможностью их реализации на базе современной наВ настоящее время полупроводниковые структуры с нотехнологии делают фотонные кристаллы перспективфотонной запрещенной зоной, так называемые фотонные ными для создания оптических приборов нового типа, кристаллы, привлекают к себе большое внимание как таких как беспороговые полупроводниковые лазеры, свес точки зрения фундаментальных исследований взаи- тоизлучающие диоды со сверхвысоким внешним кванмодействия света с веществом, так и с точки зре- товым выходом, волноводы и оптические разветвители сверхмалого размера [3]. Ожидается, что дальнейший ния их практического применения в новом поколении прогресс в технологии и физике фотонных кристаллов перспективных оптоэлектронных приборов. Фотонные приведет к созданию полностью оптических интегралькристаллы — это новый класс неоднородных оптических материалов, для которых характерно наличие простран- ных схем.

Для эффективного применения фотонных кристаллов ственной периодической модуляции диэлектрической необходимо минимизировать оптические потери, возпроницаемости с периодом порядка длины волны света никающие вследствие безызлучательной рекомбинации и фотонной запрещенной зоны в спектре собственных на поверхности фотонного кристалла и обусловленные электромагнитных состояний кристалла [1,2]. Фотонная достаточно большим отношением площади его поверхзапрещенная зона (полная или частичная) представляет ности к объему. С этой точки зрения применение собой интервал частот, в пределах которого свет, рассамоорганизующихся квантовых точек (КТ) в качестве пространяющийся в определенных направлениях, эксактивной среды в фотонном кристалле представляется поненциально затухает. При этом свет, падающий на весьма перспективным направлением, поскольку трансфотонный кристалл, полностью отражается. Физический порт носителей в латеральном направлении и соотмеханизм образования запрещенной зоны для фотонов в ветственно безызлучательная рекомбинация на боковых кристаллах такой же, как и для электронов в твердых поверхностях в структурах с КТ существенно подавлены телах. В его основе лежит динамическая дифракция вследствие высокой локализации носителей в квантовых электромагнитной волны в среде с периодическим поточках. Другой важной особенностью структур с КТ тенциалом.

является возможность реализации широкого спектра Отметим, что из самого факта существования щефотолюминесценции, обусловленного его неоднородным ли в спектре фотонов вытекает два исключительуширением, возникающим в результате флуктуаций разно важных следствия: 1) в области фотонной запремера КТ. Эти свойства делают КТ идеальной активной щенной зоны невозможно спонтанное излучение, т. е.

средой как для изучения структуры и дисперсии фотонэлектронно-дырочная рекомбинация подавляется полных зон в широком спектральном диапазоне, так и для ностью; 2) фотоны могут локализоваться на дефектах практического использования в нанофотонных приборах.

фотонного кристалла, если энергии дефектов находятся В данной работе представлены результаты оптичев области фотонной запрещенной зоны [1].

ских исследований двумерного фотонного кристалла ¶ E-mail: blokh@mail.ioffe.ru с активной областью на основе самоорганизующихся 5 834 С.А. Блохин, О.А. Усов, А.В. Нащекин, Е.М. Аракчеева, Е.М. Танклевская, С.Г. Конников, А.Е. Жуков КТ InAs/InGaAs. Двумерная гексагональная решетка отверстий сформирована в планарном волноводе GaAs– AlGaAs. Фотонный кристалл с двумерной периодической модуляцией показателя преломления в волноводном слое обладает малыми потерями для фотонных волноводных мод, лежащих ниже световой линии. Однако основная масса фотонных мод лежит выше световой линии, и они являются так называемыми модами радиационной утечки (псевдоволноводными). Эти моды могут резонансно возбуждаться в фотонном кристалле внешним светом. Как и волноводные моды, они сильно локализованы в фотонном кристалле, однако в отличие от первых резонансное взаимодействие с внешним излучением соответствующей симметрии приводит к конечному времени жизни этих фотонных мод. Таким образом, резонансный характер мод радиационной утечРис. 1. Изображение двумерного полупроводникового фоки проявляется в спектрах отражения и пропускания в тонного кристалла с гексагональной решеткой отверстий, виде особенностей, характерных для возбуждений типа полученное в растровом электронном микроскопе. Период Фано-резонансов.

отверстий 1160 нм, диаметр 670 нм. На вставке указаны направления симметрии -K и -M.

2. Эксперимент Исследуемые образцы были выращены методом отверстия имели круглую форму с ровными краями.

молекулярно-пучковой эпитаксии на установке Riber 32P На последнем этапе Ni-маска удалялась при помощи с твердотельным источником As на подложках химического травления. В результате были получены n+-GaAs (100). После осаждения буферного слоя GaAs двумерные фотонные кристаллы с гексагональной ревыращивался слой Al0.9Ga0.1As толщиной 1000 нм, предшеткой с периодом в диапазоне 600–1200 нм и диаметназначенный для обеспечения эффективного оптичером отверстий в диапазоне 350–700 нм соответственно.

ского ограничения со стороны подложки. В качестве В данной работе представлены результаты исследований волновода использовался слой GaAs толщиной 300 нм.

фотонных кристаллов с периодом элементов 1160 нм и Для улучшения стекания заряда при электронной лидиаметром отверстий 670 нм (см. рис. 1).

тографии слои GaAs и Al0.9Ga0.1As были легированы кремнием до концентрации электронов на уровне 5 · 1017 Спектры оптического отражения измерялись при комнатной температуре в диапазоне длин волн и 1018 см-3 соответственно. В середину волноводного 1000–1600 нм. В качестве источника использовался свет слоя были помещены 5 рядов самоорганизующихся галогеновой лампы, пропущенной через монохроматор.

квантовых точек InAs/InGaAs. Каждый из рядов КТ Для обеспечения малой угловой расходимости (меполучен заращиванием начальных островков, сформиронее 2) падающего света и уменьшения отражения ванных в режиме роста Странского–Крастанова путем света от подложки (диаметр падающего луча 400 нм) осаждения 2.3 монослоев InAs, слоем In0.14Ga0.86As использовалась система из двух длиннофокусных линз толщиной 5 нм и нелегированным низкотемпературным и оптического волокна, жестко закрепленных вдоль слоем GaAs толщиной 5 нм. Толщина спейсерных слоев оптической оси. Угол падения света варьировался с GaAs, разделяющих ряды КТ, составляет 28 нм.

помощью вращения образца относительно оптической Технология получения двумерных полупроводниковых оси (см. рис. 2, a). Отраженный луч детектировался фотонных кристаллов подробно описана нами в рабогерманиевым фотодиодом при угле 2 по отношению те [4]. Вначале с помощью оптической фотолитографии к падающему. Поскольку монохроматор имеет свою и метода химического травления формировались мезаполяризационную функцию, а оптическое волокно депоструктуры размером 300 300 мкм, их высота составляляризует свет, поляризаторы устанавливались непосредла 1.5 мкм. На поверхность меза-структур наносился ственно после линзы и перед фотодиодом.

слой Ni толщиной 30 нм и электронный резист (полиметилметакрилат) толщиной 350 нм. Затем с использова- Исследования угловых зависимостей фотолюминеснием электронно-лучевой литографии и последующего ценции были проведены при комнатной температуре с травления в пучке ионов Ar+ на поверхности меза- фиксированным углом падения лазерного луча L = структур формировалась Ni-маска с заданным рисунком относительно нормали к образцу (см. рис. 2, b). Фотодля реактивного ионного травления. Реактивное травле- люминесценция возбуждалась Ar+-лазером (длина волние в радиочастотной плазме проводилось на установке ны 514 нм) и детектировалась охлаждаемым германидиодного типа. Глубина травления составила 700 нм евым фотодиодом. Максимальная плотность мощности при сохранении вертикальности и гладкости стенок, а возбуждения составила 630 Вт/см2. Для регистрации в Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Оптические исследования двумерного фотонного кристалла с квантовыми точками InAs/InGaAs... Для фотонных кристаллов с гексагональной решеткой отверстий диэлектрическая проницаемость является периодической функцией координат, т. (r) =(r + R), е.

где R = na1 + ma2, а a1,2 = a(±1/2, 3/2) — вектора трансляций структурных неоднородностей фотонного кристалла; величина a — модуль вектора трансляций (расстояния между центрами ближайших отверстий).

При анализе дисперсии фотонного кристалла рассматривается среда без потерь, а функция диэлектрической проницаемости описывается следующим образом:

-1 -1 --1(r) =b + (c - b ) (rc -|r - R|), (2) R где b — диэлектрическая проницаемость основного материала, c — диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего цилиндрические отверстия радиуса rc, (rc -|r - R|) — функция единичного скачка, или функция Хевисайда, описывающая структуру расположения цилиндров в основном материале. Фотонные кристаллы обладают симметрий D6h, а соответствующая зона Бриллюэна — тремя точками высокой симметрии (0, 0, 0), K(2/3, 0), M(0, 1/2) (в единицах 2/a) [6].

Каждая электромагнитная волна в фотонном кристалле характеризуется волновым вектором kp = k - kz, величина которого в силу трансляционной симметрии ограничена границами зоны Бриллюэна. Электромагнитные Рис. 2. Экспериментальная геометрия спектроскопии отражеволны, частоты которых лежат ниже световой линии ния (a) и фотолюминесценции с угловым разрешением (b).

= c0k, являются волноводными модами с дискретным p спектром. Электромагнитные волны, частоты которых лежат выше световой линии, являются радиационнымалом телесном угле (менее 10-3 стер) применялось ми (резонансными) модами в сплошном спектре изоптическое волокно. Угол регистрации (положение во- лучения, что проявляется в виде интерференционных локна) R варьировался в пределах 5-35. Установлено, Фано-профилей в спектрах отражения (пропускания) что угол падения лазерного луча не влияет на форму и используется для экспериментального определения спектров фотолюминесценции.

дисперсии [7]. Фурье-образ обратной диэлектрической функции -1(r) имеет вид -1 -1 -3. Теоретическая модель -1(G) =b G0 + 2 f (b - c )J1(Grc)/Grc, (3) Теоретические расчеты дисперсии фотонов и оптиче- где G = |G| — величина вектора обратной реских характеристик фотонных кристаллов были проведе- шетки, J1(x) — функция Бесселя 1-го порядка, ны путем решения уравнений Максвелла для периоди- f =(2/ 3)(rc/a)2 — фактор заполнения фотонного кристалла.

чески модулированных неоднородных диэлектрических сред [5]. Для двумерного фотонного кристалла урав- Решения уравнений (1) можно привести к более удобному для расчетов матричному представлению для нения Максвелла удобно представить в виде системы поляризаций E и H в виде уравнений отдельно для векторов электрического (E) и магнитного (H) полей: M(k|GG ) - (/c)2 F(nk|G) =0, (4) µ-1 -1(r)H(r) =(/c)2H(r), Gгде вектор F равен E или H в зависимости -1(r) µE(r) =(/c)2E(r), (1) от поляризации, n, k — индекс зоны и волногде — частота, c — скорость света в вакууме,, µ — вой вектор зоны Бриллюэна, матрица M(k|GG ) = диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества. = |k + G k + G |-1(G - G ) для E-поляризации и Вся информация о свойствах фотонного кристалла, матрица M(k|GG ) =(k + G)(k + G )-1(G - G ) для необходимая для анализа уравнений (1), содержится в H-поляризации. Решения уравнений (4) были получены функциях диэлектрической и магнитной проницаемости, численно для различных значений фактора заполнения, которые предполагаются локальными функциями коор- показателей преломления и выбранного числа плоских динат, а вещество немагнитным, µ = 1. волн.

5 Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 836 С.А. Блохин, О.А. Усов, А.В. Нащекин, Е.М. Аракчеева, Е.М. Танклевская, С.Г. Конников, А.Е. Жуков 4. Результаты и обсуждение Структуру фотонных зон двумерного фотонного кристалла можно экспериментально определить с помощью спектроскопии отражения [7,8]. При варьировании длины волны и угла падения света вдоль выбранного направления симметрии фотонного кристалла при определенных частотах возможно совпадение параллельной компоненты волнового вектора (k = k sin, p k = kp + kz ) падающего света и волнового вектора фотонной моды, распространяющейся в плоскости образца, что приводит к возникновению Фано-резонанса [8].

На рис. 3 приведены типичные спектры отражения, измеренные для света с ТМ-поляризацией, падающего вдоль направления -K в диапазоне углов = 5-35.

Рис. 4. Структура фотонных зон для фотонного кристалла Спектры состоят из слабо модулированного фона (обс параметрами, приведенными на рис. 1. Расчет выполнен с щая толщина структуры сравнима с длиной волны), помощью метода плоских волн. Толстой линией (90) показана который накладываются достаточно ярко выражен- ны световые линии, выше которых все моды являются модами радиационной утечки. Фано-резонансы в спектрах отражения ные резонансные особенности, отмеченные стрелками.

отмечены точками.

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.