WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 7 Инфракрасная и субмиллиметровая спектроскопия щелевых кремниевых структур © Е.Ю. Круткова¶, В.Ю. Тимошенко, Л.А. Головань, П.К. Кашкаров, Е.В. Астрова†, Т.С. Перова, Б.П. Горшунов•, А.А. Волков• Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (физический факультет), 119992 Москва, Россия † Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Department of Electronic & Electrical Engineering, Trinity College, Dublin 2, Ireland • Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, 119991 Москва, Россия (Получена 19 декабря 2005 г. Принята к печати 30 декабря 2005 г.) Пропускание щелевых кремниевых структур с периодами 4 и 7 мкм исследовано в широком спектральном диапазоне методами поляризационно-чувствительной инфракрасной и субмиллиметровой спектроскопии.

Экспериментальные результаты, полученные в диапазоне длин волн 1-10 мкм, объясняются в терминах геометрической оптики при учете рассеяния излучения. В дальнем инфракрасном диапазоне (20-2000 мкм) образцы проявляют сильное двулучепреломление, которое описывается моделью эффективной среды в электростатическиом приближении. Зарегистрировано влияние фотовозбуждения на оптическое пропускание и его анизотропию, что объясняется в рамках модели эффективной среды при учете взаимодействия излучения со свободными носителями заряда.

PACS: 81.40.Ty, 78.30.Am, 78.70.Gq, 78.66.Sq 1. Введение указывает на перспективность ЩКС для использования в различных оптических устройствах. Однако двулучепреЭффективным методом получения новых материалов, ломление в ЩКС, рассчитанное в рамках приближения обладающих требуемыми оптическими и электронны- эффективной среды (ПЭС), оказалось значительно меньми свойствами, является нано- и микроструктурирова- шим, чем экспериментально найденные значения [4], ние полупроводниковых кристаллов. Одним из приме- что не позволяет однозначно судить о возможности ров такого подхода является формирование щелевых применения ПЭС для описания оптических свойств кремниевых структур (ЩКС), представляющих собой ЩКС. Очевидно, это можно сделать, используя излучечередующиеся слои монокристаллического кремния и ние дальнего ИК диапазона, когда длина волны много пустот (щелей) с характерными толщинами порядка больше периода структуры. В этом случае ЩКС можно нескольких микрометров [1,2]. Такие структуры могут рассматривать как однородную оптическую среду с эфбыть сформированы методами фотолитографии с пофективной диэлектрической проницаемостью, различной следующим анизотропным химическим травлением [1].

для двух направлений поляризации света: вдоль направВследствие периодичности показателя преломления при ления кремниевых слоев и перпендикулярно им. Тогда падении излучения по нормали к плоскости слоев ЩКС расчет оптических свойств ЩКС возможен в рамках так проявляет свойства одномерного фотонного кристалла, называемого электростатического приближения, когда фотонная запрещенная зона которого располагается в электрическое поле полагается постоянным на масштаинфракрасной (ИК) области спектра [2].

бах периода структуры [3]. Кроме того, поскольку ЩКС При распространении световой волны вдоль слоев является полупроводниковой структурой, для описания ЩКС может проявлять свойства анизотропной оптичесвойств ЩКС в дальнем ИК диапазоне необходимо ской среды, а именно, отрицательного одноосного криучитывать вклад подвижных носителей заряда — элексталла с оптической осью, перпендикулярной к слоям, тронов и дырок. Это может привести к существенному что является результатом проявления так называемой изменению как величины диэлектрической проницаемоанизотропии формы [3]. В работе [4] было обнаружести, так и ее анизотропии [7]. В настоящей работе мы но аномально большое значение двулучепреломления исследовали пропускание ЩКС в широком спектральв ЩКС в средней ИК области (10-20 мкм), котоном диапазоне (1-2000 мкм) с использованием методов рое значительно превышает двулучепреломление других поляризационно-чувствительной ИК и субмиллиметроизвестных кремниевых структур, таких как пористый вой спектроскопии, что позволило определить границы кремний (ПК) [5] и сверхрешетки Si/SiO2 [6]. Это применимости ПЭС, а также проанализировать вклад ¶ свободных носителей заряда в эффективную диэлектриE-mail: krutkova@vega.phys.msu.ru Fax: +7 495 9391566 ческую проницаемость таких структур.

856 Е.Ю. Круткова, В.Ю. Тимошенко, Л.А. Головань, П.К. Кашкаров, Е.В. Астрова, Т.С. Перова...

Параметры исследуемых ЩКС и их показатели преломления, 2. Методика эксперимента рассчитанные по модели ПЭС в рамках электростатического приближения Щелевые кремниевые структуры были сформированы на основе пластины кристаллического кремния (c-Si) Образец d, мкм dSi, мкм n = n = n = n - n n-типа проводимости с ориентацией поверхности (110), 1 4 1.0 1.91 1.14 0.удельным сопротивлением 20-100 Ом · см и толщи2 7 1.6 1.85 1.12 0.ной 200 мкм. Для формирования периодической структуры применялась технология фотолитографии с последуПримечание. n и n — показатели преломления для излучения, ющим анизотропным травлением. Анизотропное хими- поляризованного параллельно и перпендикулярно щелям.

ческое травление осуществлялось в 44%-м водном растворе КОН при температуре 70C в течение 1-4ч [8].

вектора напряженности электрического поля E световой В исследованных ЩКС щели располагались вдоль наволны: параллельно и перпендикулярно щелям. Все правления 111 так, что они образовывали решетку с эксперименты проводились при комнатной температуре.

периодом d, равным 4 и 7 мкм для разных образцов.

Измерения в дальнем ИК диапазоне проводились в Кремниевые стенки толщиной dSi = 1.0 и 1.6 мкм для вакууме, при остаточном давлении 1мбар.

образцов с периодом структуры d = 4 и 7 мкм соответВлияние фотовозбужденных носителей заряда на ственно чередовались с воздушными зазорами (щелями) оптические свойства ЩКС изучалось в диапазоне глубиной h = 30 мкм. Для большей жесткости, ввиду 5-20 см-1 при воздействии на образец неполярисильного механического напряжения структуры, были зованным излучением непрерывного лазера с длиоставлены широкие полосы непротравленного кремния, ной волны 532 нм и плотностью мощности излучекоторые имели период 200 мкм. Изображение поверхния 100 мВт/см2 при комнатной температуре.

ности ЩКС в оптическом микроскопе представлено на вставке к рис. 1, где темные и светлые области — щели и кремниевые стенки соответственно. Параметры 3. Приближение эффективной среды исследованных образцов представлены в таблице.

Для измерений оптического пропускания в ИК диа- Прежде чем приступить к изложению экспериментальных данных, рассмотрим основные положения ПЭС пазоне 1-500 мкм (10 000-20 см-1) использовался ИК фурье-спектрометр Bruker IFS 66v/S. В диапазонах даль- и следующие из нее выводы относительно оптических свойств ЩКС. Учитывая, что для дальнего ИК и субнего ИК излучения и субмиллиметровых длин волн, т. е.

от 500 до 2000 мкм (20-5см-1), использовался спектро- миллиметрового диапазонов длина волны излучения d, dSi, ЩКС может быть представлена как однометр на основе монохроматических источников — ламп родная эффективная среда. Это позволяет рассчитать обратной волны [9]. Поляризованное ИК и субмиллиэффективную диэлектрическую проницаемость по форметровое излучение падало по нормали к поверхности мулам [3] образца. Использовались два направления поляризации eff = f 1 + f 2, 1 eff = 12/( f 2 + f 1), (1) 1 eff где eff и — эффективные диэлектрические проницаемости для случаев, когда вектор E поляризован параллельно и перпендикулярно щелям; 1 = = 11.7 — высокочастотная (оптическая) диэлектрическая проницаемость кремния и 2 = 1 — диэлектрическая проницаемость пустот, заполненных воздухом; f = dSi/d и f = 1 - f — соответствующие факторы заполнения.

2 Показатели преломления ЩКС, так же как и их разность — двулучепреломление, рассчитанные в соответствии с этими формулами, представлены в таблице.

Вклад свободных носителей заряда в диэлектрическую проницаемость полупроводника можно оценить, используя модель проводимости Друде. В этом случае диэлектрическая проницаемость кремниевых стенок в ЩКС может быть представлена в виде [7,10] Рис. 1. Типичный спектр пропускания ЩКС в диапазоне 20-10 000 см-1 для двух направлений поляризации: a —па-1 = - 2/ 2 + i, (2) раллельно щелям, b — перпендикулярно щелям. На вставке — p изображение поверхности ЩКС (образец 2) в оптическом где = 11.7 — высокочастотная (оптическая) диэлекмикроскопе: светлые области — непротравленные участки кремния, темные области — щели, заполненные воздухом. трическая проницаемость кремния, — частота излучеФизика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Инфракрасная и субмиллиметровая спектроскопия щелевых кремниевых структур ния, p — частота плазменных колебаний, — время релаксации квазиимпульса свободных носителей заряда, p = Ne2/m0, где N и m — концентрация и эффективная масса свободных носителей заряда, m 0.4m0 (m0 = 9.1 · 10-31 кг, 0 = 8.85 · 10-12 Ф/м, e = 1.6 · 10-19 Кл).

Оптическое поглощение ЩКС для разных направлений поляризации может быть выражено следующей формулой:

, = 4 Im( eff) ·, (3), где коэффициенты поглощения, связаны с коэффициентами пропускания T, = C, exp[-,h], — частота, выражаемая в см-1. Коэффициенты C, являются функциями эффективных показателей преломления n, eff и в общем случае должны учитывать, многолучевую интерференцию света в рассмотрении двухслойной системы (щелевой слой толщиной h на подложке c-Si толщиной L) [3].

4. Экспериментальные результаты и их обсуждение На рис. 1 показан типичный спектр пропускания ЩКС, измеренный в широком ИК диапазоне (20-10 000 см-1) для двух направлений поляризации: вектор E параллелен (кривая a) и перпендикулярен щелям (кривая b).

В дальнем ИК диапазоне (20-600 см-1) имеет место различие между этими спектрами, что свидетельствует об анизотропии эффективной диэлектрической проницаемости ЩКС. В спектрах присутствует модуляция пропускания, которая обусловлена интерференцией света Рис. 2. Спектральные зависимости коэффициента пропускания (a) и отношения фазового сдвига волны к частокак в щелевом слое, так и непосредственно в самой те субмиллиметрового излучения, прошедшего через обракремниевой подложке. Можно отметить, что малый зец 2 ЩКС, (b) для разных направлений поляризации: 1 —папериод модуляции пропускания не зависит от направраллельно щелям, 2 — перпендикулярно щелям. 3 —спектления поляризации и, значит, связан с интерференциры для пластины c-Si с ориентацией поверхности (110) и ей лучей в кремниевой подложке: 0 (2LnSi)-1, где удельным сопротивлением 20-100 Ом · см. Линии — аппрокL = 170 мкм — толщина подложки ЩКС, nSi = 3.4 — симация экспериментальных данных с использованием форкоэффициент преломления c-Si. Больший период ос мул (1)–(3).

цилляций соответствует интерференции света в тонком анизотропном щелевом слое и описывается следующей формулой:

Общее уменьшение пропускания с уменьшением дли, (2hn,)-1. (4) ны волны, очевидно, связано с рассеянием ИК излучения. Кроме того, резкое уменьшение пропускания в обВ ближнем ИК диапазоне (2000-10 000 см-1), когда ласти 10 000 см-1 может быть обусловлено межзонным длина волны излучения меньше характерных размеров поглощением в c-Si.

ЩКС, очевидно, условие ПЭС не выполняется, но На рис. 2, a показаны спектральные зависимости коможно воспользоваться приближением геометрической эффициента пропускания T ЩКС в субмиллиметровом оптики. Тогда период интерференционных колебаний диапазоне для разных направлений полязирации: паралне зависит от поляризации падающего излучения и лельно (кривая 1) и перпендикулярно щелям (кривая 2).

является результатом интерференции между лучами, Для сравнения приведен также спектр пропускания прошедшими через щели и через кремниевые стенки, и подложки c-Si (кривая 3), который не зависел от направопределяется формулой ления поляризации. Видно, что абсолютное значение [h(nSi - 1)]-1. (5) пропускания ЩКС выше по сравнению с пропусканием Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 858 Е.Ю. Круткова, В.Ю. Тимошенко, Л.А. Головань, П.К. Кашкаров, Е.В. Астрова, Т.С. Перова...

подложки. Анизотропия пропускания ЩКС значительно меньше, чем в дальнем и среднем ИК диапазонах (ср. рис. 1 и рис. 2, a).

Дополнительную информацию об оптической анизотропии в ЩКС можно получить из спектральных зависимостей фазового сдвига волны, прошедшей через структуру. На рис. 2, b представлены спектральные зависимости отношения фазового сдвига волны к частоте субмиллиметрового излучения, прошедшего ЩКС, для разных направлений поляризации: параллельно (кривая 1) и перпендикулярно щелям (кривая 2).

Также приведена аналогичная спектральная зависимость для подложки c-Si (кривая 3). Видно, что разность между фазовыми сдвигами волн, имеющих разные направления поляризации в ЩКС, невелика. Это можно объяснить малым набегом разности фаз в волне, прошедшей сквозь Рис. 4. Спектры показателей преломления ЩКС (образец 1) в очень тонкий (по сравнения с длиной волны) анизотропдиапазоне 20-600 см-1 в направлениях, параллельном (n ) и ный щелевой слой.

перпендикулярном щелям (n), а также двулучепреломления Анализ спектров пропускания и расчет спектроско( n = n - n). Штриховая линия — расчетное по модели пических характеристик ЩКС в дальнем ИК диапазоне ПЭС значение двулучепреломления.

осуществлялся в соответствии с приведенными формулами (1)–(3). Отметим, что экспериментальные спектры пропускания были аппроксимированы расчетными спектрами пропускания с использованием в качестве подгоночных параметров компонентов как реальной,,, так и мнимой,,, частей эффективной диэлектрической проницаемости eff =, + i,.

, На рис. 3 представлены спектральные зависимости, и, образца 1. Значения реальной части eff, значительно больше, чем мнимой, что вполне понятно, если учесть низкий уровень легирования подложки, на которой была сформирована структура. Поэтому пропускание ЩКС определяется в основном реальной частью эффективной диэлектрической проницаемости. НемоноРис. 5. Относительное пропускание, T,/T 0,, ЩКС(образец 1) при освещении лазером (длина волны 532 нм, плотность мощности 100 мВт/см2) для двух направлений поляризации:

1 — параллельно щелям, 2 — перпендикулярно щелям.

3 — пропускание ЩКС без освещения лазером, T 0,. 4 —уровень шума системы регистрации. 5 — расчет изменения пропускания по формулам (1)–(3).

тонный характер спектральных зависимостей, на низких частотах связан, по-видимому, с рассеянием ИК излучения на опорных балках ЩКС, имеющих период 200 мкм.

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.