WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 12 Характеризация фотонных кристаллов на основе композитов опал–полупроводник по спектрам брэгговского отражения света © Г.М. Гаджиев, В.Г. Голубев, Д.А. Курдюков, А.Б. Певцов, А.В. Селькин, В.В. Травников¶ Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Институт физики Дагестанского научного центра Российской академии наук, 367003 Махачкала, Россия (Получена 25 апреля 2005 г. Принята к печати 4 мая 2005 г.) Исследованы спектры брэгговского отражения света от фотонных кристаллов на основе композитов опал–полупроводник (GaP, GaN). Развит подход, позволяющий проводить характеризацию опалоподобных структур, основанный на исследовании формы спектров брэгговского отражения света и условий, в которых проявляется многоволновая брэгговская дифракция. Анализ формы спектров отражения выполнен в рамках приближения планарной слоисто-периодической среды с учетом спекания и одноосного сжатия сфер a-SiO2, формирующих 3D решетку опала. Диаметры и коэффициенты сжатия сфер найдены с учетом предложенного в работе спектроскопического структурного инварианта, определяющего условия наблюдения многоволновой брэгговской дифракции на системе плоскостей {111}.

1. Введение их формы (например, за счет превращения шаров в эллипсоиды). В результате анизотропного спекания и Фотонные кристаллы (ФК) представляют собой деформации шаров возможно изменение точечной симпространственно-периодические структуры, диэлектриметрии и, соответственно, оптических свойств ФК [4–6].

ческая проницаемость которых модулируется с периоКроме того, следует ожидать проявление в оптических дом, сравнимым с длиной волны света. Повышенный инсвойствах синтезируемых структур частотной дисперсии терес к ФК связан с новыми возможностями управления диэлектрической проницаемости вводимого в пустоты светом, которые появляются благодаря существованию в полупроводника, особенно, если речь идет о спектральтаких структурах фотонных запрещенных зон (ФЗЗ) [1].

ной области фундаментального края поглощения ввоПредметом особого внимания оказываются ФК с трехдимого материала. В этой связи возникает потребность мерной (three-dimensional, 3D) трансляционной симметв более детальном изучении механизмов формирования рией, поскольку именно в таких кристаллах возможна оптических спектров композитов опал–полупроводник реализация полной ФЗЗ-энергетической области, в прес учетом диэлектрических свойств полупроводников и делах которой распространение света невозможно во возможной модификации ГЦК структуры опалов.

всех направлениях внутри ФК [2].

В настоящей работе мы демонстрируем новые возВажное место среди 3D ФК занимают композиты можности диагностики ФК структур, основанные на опал–полупроводник [3], пространственная структура исследовании спектров брэгговского отражения (БО) которых определяется симметрией опала. Гранецентрисвета от композитов опал–полупроводник. Анализ эксперованная кубическая (ГЦК) решетка опала формируриментальных данных проведен с учетом оптических ется из плотно упакованных шаров аморфной окиси свойств полупроводников и возможных деформационкремния (a-SiO2). Между шарами a-SiO2 существует ных изменений ГЦК решетки опаловой матрицы. В раподрешетка пустот, доступных для заполнения другими боте изучены искусственные опалы, в пустотах котоматериалами. Внедрение в пустоты полупроводниковых рых синтезированы широкозонные полупроводники GaN соединений позволяет создавать ФК, в которых свойства 3D структуры опала могут быть совмещены с оптиче- и GaP, а также исследованы инвертированные структускими и электрическими свойствами полупроводников. ры, полностью состоящие из GaN.

Пустоты могут заполняться разными полупроводниками, а степень заполнения может варьироваться, что 2. Эксперимент обеспечивает условия для целенаправленного изменения свойств ФК. Путем вытравливания шаров a-SiO2 из создаваемых композитов получаются инвертированные В качестве исходных матриц для создания ФК испольструктуры, полностью состоящие из материала полупро- зованы синтетические опалы, в которых на долю возводника. душных пустот, расположенных между шарами, может Синтез полупроводниковых материалов в пустотах приходиться до 26% полного объема. Диаметр шаров опала, как правило, осуществляется при довольно вы- предварительно оценивался с помощью сканирующего соких температурах. Нагрев образцов может сопровоэлектронного микроскопа и составлял 260-270 нм.

ждаться дополнительным спеканием (увеличением плоОбразцы для исследований приготавливались в виде щади соприкосновения) шаров a-SiO2 и изменением пластинок 5 5 0.5 мм. Пластинки вырезались так, ¶ E-mail: travn@spectr.ioffe.ru чтобы большая по площади грань образца представляла 1424 Г.М. Гаджиев, В.Г. Голубев, Д.А. Курдюков, А.Б. Певцов, А.В. Селькин, В.В. Травников Рис. 1. Композиты опал–GaN: a — спектры брэгговского отражения для различных углов падения (сплошные кривые). Пунктиром представлен теоретический спектр отражения для угла падения 10. b — угловая зависимость положения максимумов брэгговских рефлексов (заполненные кружки). Спектральные положения минимумов в дублетах представлены светлыми кружками. Сплошная кривая соответствует расчетному положению максимумов брэгговского отражения света от плоскостей (111), параллельных поверхноcти образца.

Рис. 2. Инвертированные структуры на основе GaN: a — спектры брэгговского отражения для различных углов падения (сплошные кривые). Пунктиром представлен теоретический спектр отражения для угла падения 10. b — угловая зависимость положения максимумов (заполненные кружки) брэгговских рефлексов. Спектральные положения минимумов в дублетах представлены светлыми кружками. Сплошная кривая соответствует расчетному положению максимумов брэгговского отражения света от плоскостей (111), параллельных поверхноcти образца.

собой отражающую поверхность (111). Синтез полу- Исследование спектров БО является одним из наипроводников осуществлялся непосредственно в пустотах более простых и прямых методов изучения зонной опала по технологии, аналогичной [7–9]. Температура структуры ФК. Максимумы отражения возникают в синтеза для GaN составляла 950, а для GaP — 800C. результате брэгговской дифракции света на семействах При получении инвертированных структур опаловая кристаллографических плоскостей ФК и соответствуматрица вытравливалась из композита водным раство- ют тем энергиям фотонов и направлениям волновых ром плавиковой кислоты. векторов, для которых распространение света внутри Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Характеризация фотонных кристаллов на основе композитов опал–полупроводник по спектрам... Рис. 3. Композиты опал–GaP: a — спектры брэгговского отражения для различных углов падения (сплошные кривые). Пунктиром представлен теоретический спектр отражения для угла падения 10. b — угловая зависимость положения максимумов брэгговских рефлексов (заполненные кружки). Сплошная кривая соответствует расчетному положению максимумов брэгговского отражения света от плоскостей (111), параллельных поверхноcти образца.

идеального ФК запрещено. Важной характеристикой ФК композита опал–GaN и инвертированной структуры на является ширина ФЗЗ Egap. Эта величина определяется его основе с увеличением угла падения света вблизи глубиной пространственной модуляциии диэлектриче- значений 30 в спектрах отражения появляются ской проницаемости, зависящей от диэлектрического дополнительные, более коротковолновые, максимумы контраста материалов, из которых формируется ФК.

(рис. 1, 2). Интенсивность этих максимумов постепенно Значение Egap для высококонтрастных структур иногда нарастает и, в диапазоне 35-55, спектры приобреоценивается из эксперимента как ширина E на потают ярко выраженный дублетный характер. При дальлувысоте полосы БО [10]. Для того чтобы сравнивать нейшем увеличении угла падения происходит уменьмежду собой ФК свойства разных композитов, удобно шение интенсивности длинноволнового максимума и в использовать относительную ширину E/E0 рефлекса спектре остается лишь один (коротковолновый) макси(E0 — энергия, соответствующая положению максимума мум. Представленные на рис. 1, b, 2, b зависимости спекв спектре отражения), измеренную при нормальном трального положения максимумов БО от угла падения падении света на систему соответствующих кристаллосвета позволяют выделить две ветви, отделенные друг графических плоскостей.

от друга областью „антипересечения“ (avoiding crossing Спектры БО от приготовленных образцов представлеarea [11]).

ны на рис. 1, a-3, a. Спектры записаны в s-поляризации Для композитов опал–GaP в исследованном диапазоне света при различных углах падения, отсчитываемых от углов (вплоть до 70) основные максимумы лишь нормали к поверхности образца (111). При измерении незначительно смещаются навстречу друг другу, при спектров образцы были ориентированы таким образом, этом наблюдаемые полосы отражения при минимальном чтобы волновые векторы падающего и отраженного свеи максимальном углах существенно перекрываются та лежали в плоскости, проходящей через точки, U, L друг с другом (см. рис. 3).

и K зоны Бриллюэна ГЦК решетки.

Обычно для анализа угловых зависимостей максимуВведение в пустоты опалов полупроводников при мов БО используют известную формулу Брэгга достаточной степени заполнения приводит к увеличению диэлектрического констраста. В результате ФЗЗ стано = 2d111 0 - sin2, (1) вятся шире и, как следствие, увеличивается относительная ширина наблюдаемых полос отражения. Для чистого где — длина волны, соответствующая максимуму реопала при нормальном падении света E/E0 = 0.047, флекса, d111 — период кристаллической решетки вдоль для композита опал–GaN имеет E/E0 = 0.051, для GaN-инвертированного опала E/E0 = 0.11 и для ком- направления [111], — угол падения, 0 — средняя позита опал–GaP получаем E/E0 = 0.16. Существенно диэлектрическая проницаемость рассматриваемых опамодифицируется по сравнению с исходными опалами лоподобных структур, которая определяется диэлектрии характер угловой зависимости спектров БО. Для ческими проницаемостями a и b материалов шаров 2 Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1426 Г.М. Гаджиев, В.Г. Голубев, Д.А. Курдюков, А.Б. Певцов, А.В. Селькин, В.В. Травников Данные измерений Подгоночные параметры Образец, нм, град E/E0 a00, нм f Egap/Em Опал-GaN 530 47 0.063 277 0.05 0.90 0.67 0.092 0.Инвертированный опал-GaN 413 38 0.117 271 0.05 0.91 0.7 0.090 0.Опал-GaP - - 0.174 271 0.03 0.92 0.87 0.24 0.и пустот соответственно и фактором заполнения f Длины осей эллипсоидов обозначим как D и D, структуры шарами: предполагая их сфероидальную форму, при этом ось D совпадает с осью вращения и направлена перпенди0 = a f + b(1 - f ). (2) кулярно отражающей поверхноcти структуры. Расстоя0 ние a00 между центрами соседних, касающихся в точках Значение f может меняться от образца к образцу, 0 сфероидов, расположенных в латеральной плоскости, что связано с различной степенью взаимного спекания равно D. Период L структуры в направлении, першаров в разных образцах. При этом для того чтобы пендикулярном поверхности, определяется величиной структура обладала достаточной жесткостью, f должно 0 L = d111 = 2/3D. В результате взаимопроникновения превышать значение f 0.74, даваемое для плотной 00 (спекания) сфероидов расстояние a00 уменьшается на ГЦК упаковки касающихся в точках шаров.

величину a00, а L — на величину L. Если относительНа рис. 1, b–3, b сплошные кривые получены с ис- ное изменение параметров a00 и L характеризовать коэфпользованием формулы (1) и соответствующих пара- фициентом спекания = a00/D = L/L (изотропное метров из таблицы (см. далее). В отличие от случая спекание), то фактор заполнения f структуры сферочистых опалов [12] угловые зависимости спектрального идами в случае не очень сильного спекания принимает положения максимумов БО для исследованных структур вид [14] существенно отличаются от зависимостей, рассчитанных 1-32(3 - ) f =. (3) по формуле (1).

(1 - )3 Дублетная структура в спектрах отражения при наОписанная эллисоидальность структурных элементов клонном падении света возникает в результате многорешетки приводит к понижению симметрии Oh структуволновой брэгговской дифракции (МБД) — одновреры до симметрии D3d, что соответствует одноосной деменной дифракции света на системе по крайней меформации кубической решетки вдоль направления [111] ре двух пересекающихся кристаллографических плоско(в нашем случае, совпадающего с нормалью к поверхностей [11]. Эффекты, связанные с многоволновой дифраксти). Количественно такую деформацию можно описать цией рентгеновских лучей, детально исследовались ракоэффициентом анизотропного сжатия = D /D.

нее для обычных (атомных) кристаллов [13]. В фотонных Теоретический расчет спектров БО проводился кристаллах взаимодействие электромагнитного поля с с использованием приближения планарной слоисто3D периодической средой усиливается из-за увеличения периодической среды [14–16]. В рамках такого приблидиэлектрического контраста и, как следствие, глубины жения диэлектрическая среда, обладающая трехмерной модуляции диэлектрической проницаемости. Наблюдапериодичностью, усредняется в плоскости XY, паралемое отклонение угловой зависимости спектрального лельной наружному слою шаров (т. е. перпендикулярно положения максимумов БО от зависимости, даваемой направлению [111], совпадающему с осью Z). Поскольку формулой Брэгга (1), обусловлено, очевидно, эффектами усреднение проводится только по координатам X и Y, МБД. Таким образом, МБД света ограничивает воздиэлектрическая проницаемость становится периодичеможности обычной характеризации композитов опал– ской функцией s(Z), зависящей лишь от одной прополупроводник, основанной на использовании соотношестранственной переменной Z.

ния (1).

Влияние поверхностных эффектов учитывалось в модели путем усечения наружных сфероидов и постановки граничных условий Максвелла на соответствующих се3. Теоретическая модель кущих плоскостях передней и задней u поверхностей При теоретическом описании экспериментальных ФК пластины. Для количественного описания этих эфспектров БО мы рассматривали ФК как 3D решетку, фектов вводились коэффициенты отсечки = 2 l/D в узлах которой размещены диэлектрические шары. и u = 2 lu/D, где l и lu — расстояния, на которые В модели учитывались эффекты, связанные со спекани- секущие плоскости сдвинуты от внешних плоскостей, ем (взаимопроникновением) структурных элементов — касающихся неусеченных наружных сфероидов.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.