WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 2 06;12 Технология получения полупроводниковых микрорезонаторов и фотонных кристаллов © Е.М. Аракчеева, А.В. Нащекин, В.А. Соловьев, Е.М. Танклевская, М.В. Максимов, С.Г. Конников, С.А. Гуревич, Н.Н. Леденцов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия e-mail: kathy.quantum@mail.ioffe.ru (Поступило в Редакцию 23 июня 2004 г.) Описана технология получения микрорезонаторов и фотонных кристаллов в структурах на основе GaAs с использованием электронной литографии и реактивного ионного травления. Было получено 2 типа структур:

с микростолбиками и фотонными кристаллами, представляющими собой квадратную и гексагональную решетки отверстий в планарной волноводной структуре. Минимальный диаметр микростолбиков составил 100 nm, высота — 700 nm. Размер отверстия фотонных кристаллов контролируемым образом варьировался от 140 до 500 nm, период фотонного кристалла от 400 до 1000 nm. Глубина травления фотонных кристаллов составила более 350 nm.

Введение спектр идеальной квантовой точки представляет собой набор дискретных уровней, разделенных областяВ настоящее время полупроводниковые микрорезона- ми запрещенных состояний, и соответствует электронторы привлекают к себе большое внимание как с точки ному спектру одиночного атома. Малая ширина лизрения исследования их фундаментальных свойств, так нии излучения одиночной КТ позволила пронаблюдать и с точки зрения их применения для создания перэффект Пурселя в полупроводниковом микрорезонаспективных оптоэлектронных приборов. Полупроводниторе [2]. Чрезвычайно перспективным представляется ковый микрорезонатор представляет собой структуру, использование квантовых точек, помещенных в микров которой электромагнитное поле квантовано в одрезонатор для создания источников одиночных фотоном, двух или трех направлениях. Ограничение элекнов [3].

тромагнитной волны в микрорезонаторе может быть Другим важным направлением, перспективным для реализовано за счет распределенных брегговских отсоздания будущего поколения лазеров и светодиодов [4], ражателей или за счет полного внутреннего отражеявляется использование фотонных кристаллов. Фотонния. Так, в трехмерном микрорезонаторе, называемом ный кристалл представляет собой периодическую пов литературе микростолбик (micropillar), ограничение лупроводниковую или диэлектрическую структуру, песвета в вертикальном направлении осуществляется за риод которой соизмерим с длиной волны света. В фосчет использования верхнего и нижнего распределентонных кристаллах происходит формирование зонной ного брэгговского зеркала (РБЗ), а в горизонтальном структуры для фотонов, аналогичной зонной структуре направлении за счет полного внутреннего отражения для электронов в твердом теле. Фотонные кристаллы на границе воздух-полупроводник. Использование мимогут служить очень эффективными одномерными или крорезонаторов позволяет управлять интенсивностью двумерными распределенными брегговскими зеркалами взаимодействия света с веществом путем увеличения (РБЗ). В микрорезонаторе, окруженном таким двумерили уменьшения перекрытия мод электромагнитного ным распределенным зеркалом, все излучение активного поля и волновых функций электронов. Как было теовещества может быть направлено только в одну разреретически показано [1], для излучателя, помещенного в шенную моду. Ожидается, что это приведет к созданию микрорезонатор, может наблюдаться увеличение скоросветоизлучающего прибора, который будет обладать сти спонтанной рекомбинации (эффект Пурселя). Мипреимуществами как лазера (когерентность и малая крорезонаторы в настоящее время широко используются расходимость излучения), так и светодиода (отсутствие в современных оптоэлектронных приборах, таких как поверхностно излучающие лазеры на основе вертикаль- порога) [5]. Фотонные кристаллы с квантовыми ямами или квантовыми точками могут быть использованы в каного микрорезонатора и резонансные светодиоды.

честве активных элементов — лазеров и светодиодов [6].

Квантовые точки (КТ), полученные методом самоорВ настоящее время ведутся интенсивные исследования, ганизации в процессе роста, обладают рядом свойств, делающими их чрезвычайно привлекательными для ис- направленные на создание оптических интегральных пользования в качестве активной среды полупровод- схем на основе микрорезонаторов и фотонных кристалниковых микрорезонаторов. Вследствие трехмерного лов, что, как ожидается, приведет к созданию квантового пространственного ограничения носителей электронный компьютера.

Технология получения полупроводниковых микрорезонаторов и фотонных кристаллов Технология получения микрорезонаторов Для реализации источников излучения на основе эффекта Пурселя, а также источников одиночных фотонов необходимы микрорезонаторы малого размера, содержащие в наилучшем случае только одну КТ. Типичное среднее расстояние между InAs-GaAs квантовыми точками, полученными методом самоорганизации в процессе роста, составляет около 100 nm, что и определяет требуемый диаметр микростолбика.

Технология изготовления микростолбиков включает оптическую и электронную литографию, химическое и реактивное ионное травление. В начале с помощью оптической фотолитографии на поверхности структуры создавалась маска из органического резиста AZ 5214, через которую химически стравливалась вся структура до подложки, кроме квадратов размером 100 100 µm, Рис. 1. Технология получения микрорезонаторов. a — расположенных на расстоянии нескольких миллиметров нанесение ПММА толщиной 350 nm, b — электроннодруг от друга. В дальнейшем в данных квадратах будут литографический процесс, c — проявление ПММА, d — формироваться массивы мез. Тот факт, что в обланапыление слоя Ni толщиной 30 nm, e — взрыв ПММА, стях между массивами мез активная область удалена, f — реактивное ионное травление полупроводника, g —удапозволяет исключить фотолюминесценцию из данных ление никелевой маски.

областей при оптических исследованиях.

Для проведения электронно-лучевой литографии на образец наносился позитивный электронный резист — полиметилметакрилат (ПММА) толщиной 350 nm, (рис. 1, a) и осуществлялся электронно-литографический процесс (рис. 1, b) на сканирующем электронном микроскопе CamScan Series 4-88 DV 100. Для управления пучком использовалась высокоразрешающая восьмиканальная цифровая плата на основе 16-битного ЦАП (ADLINK PCI-6208V). Было разработано программное обеспечение на языке Delphy 5, позволяющее выдавать требуемое напряжение на отклоняющую систему электронной пушки с шагом порядка 150 µV, а также управлять временем экспозиции одного элемента путем подачи импульса напряжения требуемой длительности на модулятор электронного пучка. Для подбора оптимального режима литографии были сформированы группы элементов с разным периодом (от 0.35 до 10 µm) и различным временем экспозиции каждой группы (от 50 до 1000 µs в зависимости от степени близости соседнего элемента). Оптимальные токи пучка составили 10-30 pA при ускоряющем напряжении 15 kV.

Поскольку ПММА не является плазмостойким резистом, он не может использоваться как маска для реактивного ионного травления структуры. В связи с этим после проявления ПММА (рис. 1, c) нами осуществлялись напыление слоя никеля толщиной 30 nm (рис. 1, d) и взрыв ПММА в диметилформамиде (рис. 1, e). Слой Ni, оставшийся после взрыва на поверхности структуры, в дальнейшем служил маской для реактивного ионного травления.

В настоящей работе использовалась установка диодного типа для реактивного ионного травления в радиочастотной плазме — RDE-300 производства фран- Рис. 2. Снимок массива мез с никелевой маской, диаметром 140 nm, а также одиночной мезы диаметром 140 nm.

цузской фирмы „Alcatel“ с компьютерным управлением.

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 80 Е.М. Аракчеева, А.В. Нащекин, В.А. Соловьев, Е.М. Танклевская, М.В. Максимов, С.Г. Конников...

Параметры травления полупроводника выбирались исходя из необходимости получения структуры, в которой боковые поверхности имеют вертикальный профиль и содержат малое количество внесенных травлением дефектов. Для травления структуры (рис. 1, f ) был выбран следующий режим: соотношение газовых компонентов Cl2 : BCl3 : Ar = 1: 4: 16sccm (стандартных единиц газовых потоков), давление газовой смеси в реакторе 1 Pa (реактор предварительно откачивался до 5 · 10-4 Pa) и напряжение автосмещения, равное 200 V. Средняя скорость травления в таком режиме была 90 nm/min.

Глубина травления составляла 0.5-1.5 µm в зависимости от параметров структуры. Соотношение диаметра столбика к его высоте составляет 1 : 6, при этом сохраняется высокая анизотропия стенки. На последнем этапе проводилось удаление Ni маски, оставшейся на поверхности микростолбиков, при помощи химического травления (рис. 1, g). На рис. 2 представлены снимки массива мез диаметром 140 nm, а также одиночной мезы диаметром 140 nm, сделанные на сканирующем электронном микроскопе CamScan. Удаление никелевой маски при этом не проводилось.

Технология получения двумерных фотонных кристаллов В связи с тем что технология получения трехмерных полупроводниковых фотонных кристаллов сложна, в Рис. 3. a — снимок фотонного кристалла с квадратной настоящее время наибольшее распространение получирешеткой, b — снимок фотонного кристалла с гексагональной ли двумерные фотонные кристаллы. Такие кристаллы решеткой.

представляют собой двумерную квадратную или гексагональную решетку отверстий в полупроводниковой структуре. Наиболее перспективными с точки зрения применения в оптоэлектронике являются двумерные центров безызлучательной рекомбинации на поверхнофотонные кристаллы, изготовленные из эпитаксиальной сти полупроводника. На рис. 3, a, b представлены снимки волноводной структуры. В таких кристаллах ограничефотонных кристаллов с квадратной и гексагональной ние электромагнитной волны в направлении, параллельрешетками. Период фотонного кристалла с квадратной ном отверстиям, осуществляется за счет волноводного решеткой составляет 660 nm, диаметр отверстий — эффекта. Было показано, что в случае гексагонального 320 nm. Период и диаметр отверстий для фотонного фотонного кристалла для TE-поляризованной моды сукристалла с гексагональной решеткой соответственно ществует запрещенная фотонная зона [7].

равны 800 и 420 nm. Отверстия имеют круглую форТехнология получения двумерных полупроводниковых му с ровными краями. Исследования скола фотонных фотонных кристаллов во многом аналогична технолокристаллов показали, что глубина травления составила гии изготовления микрорезонаторов, представленной на 350 nm при сохранении вертикальности и гладкости рис. 1. В то же время имеются и некоторые отличия.

стенок.

Перед нанесением ПММА на поверхность структуры напыляется слой Ni толщиной около 20 nm. Затем наЗаключение носится позитивный ПММА и осуществляется процесс электронной литографии. После проявления ПММА Описана технология получения полупроводниковых проводится травление образца пучком Ar. Скорость микрорезонаторов и фотонных кристаллов методом травления Ni и ПММА пучком Ar различаются не очень электронной литографии и реактивного ионного травсильно, что позволяет протравить Ni до поверхности ления в структурах на основе AlGaAs-GaAs. Министруктуры на тех ее участках, где ПММА отсутствует.

Таким образом формируется маска для дальнейшего ре- мальный размер мезы составляет около 100 nm, что активного ионного травления. Параметры травления фо- позволяет реализовывать микрорезонаторы, содержатонных кристаллов подбирались так, чтобы обеспечить щие одиночную квантовую точку. Типичные периоды максимальную вертикальность и гладкость стенок, а так- (400-1000 nm) и размеры отверстий (140-500 nm) фоже предотвратить формирование большого количества тонных кристаллов соответвствуют диапазону длин волн Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Технология получения полупроводниковых микрорезонаторов и фотонных кристаллов 800-1300 nm, в настоящее время наиболее активно используемому в линияx волоконно-оптической связи.

Предварительные оптические исследования мез и фотонных кристаллов с активной областью на основе квантовых точек показали, что реактивное ионное травление не приводит к заметному ухудшению оптического качества материала.

Работа была поддержана программой Отделения физических наук РАН „Новые материалы и структуры“ и программой фундаментальных исследований президиума РАН „Низкоразмерные квантовые структуры“.

Список литературы [1] Purcell E.M. // Phys. Rev. 1946. Vol. 69. P. 681.

[2] Grard J.M., Sermage B., Gayral B. et al. // Phys. Rev. Lett.

1998. Vol. 81. N 5. P. 1110–1113.

[3] Zhiliang Yuan, Kardynal B.E., Stevenson R.M. et al. // Science.

2002. Vol. 295. P. 102–105.

[4] Microcavities and Photonic Bandgaps: Physics and Application / Ed. C. Weisbuch, J. Rarity. NATOASI. Ser. E. Vol. (Kluwer, Dordrechet, 1996).

[5] La Rue R.De, Smith Ch. // Nature. 2000. Vol. 408. P. 653–656.

[6] Erchak A.A., Ripin D.J., Fan Sh. et al. // Appl. Phys. Lett. 2001.

Vol. 78. P. 563–565.

[7] Benisty H., Weisbuch C., Labilloy D. et al. // J. Lightwave Techn. 1999. Vol. 17. P. 2063–2077.




© 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.