- г -
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ .................................................... 5
ГЛАВА I. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ ФОТОТРАВЛЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ 12 § 1.1. Установка для получения голографических дифракционных решёток ............................................ 13
1.1.1. Оптическая схема установки ............. 14
1.1.2. Источник излучения ............................. 17
1.1.3. Расширитель и пространственный фильтр .......... 20
1.1.4. Полупрозрачные и поворотные зеркала ......... 22
§ 1.2. Исследование особенностей интерференционного
фототравления .................................... 23
1.2.1; Механизм интерференционного фототравления.. 23
1.2.2. Учёт ориентации пластин ........................ 25
1.2.3. Выбор травителя ................................ 29
1.2.4. Влияние электрофизических параметров материала ................................................. 34
§ 1.3. Определение параметров фазовых дифракционных
решёток, полученных на поверхности полупроводников ............................................ 39
1.3.1. Определение периода дифракционных решёток... 42
1.3.2. Определение профиля и глубины дифракционных решёток ............................................... 46
ГЛАВА П. КОНЦЕНТРИРУЮЩИЕ ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ ДИФРАКЦИОННЫЕ
РЕШЁТКИ......................................... 53
§ 2.1. Ориентация рабочей поверхности кристалла для
получения решёток с углом блеска ................. 54
§ 2.2. Концентрирующие дифракционные решётки, полученные методом интерференционного фототравленИЯ.. 56
- 3 -
Стр.
§ 2.3. Концентрирующие дифракционные решётки, полученные с использованием фоторезастивиой маска 57
2.3.1. Создание маски и требования к интерференционной засветке ............................................. 57
2.3.2. Особенности селективного травления полупроводников ................................................. 65
§ 2.4. Экспериментальное исследование дифракционных
овойств решётки с углом блеска .................... 71
ГЛАВА Ш. ШТЕРФЕРЕНЩЮННЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ОТПИТ (ИЛО) ПОЛУПРОВОДНИКОВ ______________..........................'......... 76
§ 3.1. Дифракционные решётки, полученные кристаллизацией напылённых аморфных слоёв ............................ 77
3.1.1. Лазерные установки для МО .......................... 78
3.1.2. Экспериментальные образцы ......................... 79
3.1.3. Методика эксперимента и экспериментальные результаты ................................................. 80
§ 3.2. Дифракционные решётки, полученные плавлением
поверхностных неоднородностей ...................... 87
§ 3.3. Объёмные дифракционные решётки, полученные при
использовании МО ................................... 91
ГЛАВА 1У.ЮЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВОЛНОВОДНЫЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ
С ПЕРИОДИЧЕСКИМИ ОПТИЧЕСКИ,Ш НЕОДНОРОДНОСТЯМИ.. 99
§ 4.1. Исследование гетероэпитаксиальных волноводов с
плавным изменением состава по толщине слоя 101
4.1.1. Методика экспериментов по исследованию параметров пленочных волноводов с помощью ввода
и вывода света через дифракционную решётку 101
4.1.2. Гетероэдитаксиальные волноводы для передачи изображения ............................................. 106
- 4 - Стр.
4.1.3. Метод определения распределения показателя преломления плавных волноводов с помощью кусочно-линейной аппроксимации ........................... 109
4.1.4. Модовые характеристики и распределение показателя преломления плавных гетероэпитакси-альных волноводов в системе //С 6а. А* ... П2
4.1.5. Дисперсионные характеристики показателя преломления твёрдых растворов АС 6а Р ... 121
§ 4.2. Полупроводниковые гетеролазеры с распределенной обратной связно (РОС) в системе 1п6аА$Р 127
4.2.1. Перестраиваемые полупроводниковые лазеры с
РОС и накачкой инфекционным лазером... 127
4.2.2. Гетеролазеры с РОС, полученной интерференционным лазерным отжигом ................................... 135
4.2.3. Полупроводниковые гетеролазеры с динамической РОС .................................................. 146
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................... 151
ЛИТЕРАТУРА ............................................... 157
- 5 -
ВВЕДЕНИЕ
Работа состоит из цикла исследований, проведенных в период 1976-1983 гг. и посвященных проблеме создания и исследования полупроводниковых волноводных гетероструктур с периодическими оптическими неоднородностями.
Актуальность темы. В настоящее время полупроводниковые гетероструктуры находят широкое применение в оптоэлектронике. Весьма перспективным является использование гетероструктур для создания элементов оптической связи и интегральной оптики.Особое место в интегральной оптике занимают гетероструктуры с периодическими оптическими неоднородностями - дифракционными решётками. С помощью дифракционных решёток в полупроводниковых лазерах был получен одночастотный режим генерации с узкой диаграммой направленности. С другой стороны с помощью дифракционных решёток, сформированных на поверхности гетероструктуры, оказалось возможным исследовать и определять такие характеристики этих гетероструктур, как профиль показателя преломления, толщина волноводного слоя. Таким образом, периодическая оптическая неоднородность выступает как в роли элемента приборных конструкций, так и в роли инструмента физических исследований волноводных гетероструктур. Именно этим определяется актуальность настоящей диссертационной работы.
Целью работы является разработка методов создания периодических оптических неоднородностей в полупроводниках и исследование особенностей распространения и генерации света в полупроводниковых волноводных гетероструктурах с такими неоднородностями.
Научная новизна работы заключается в следующем:
I. В условиях интерференционной засветки непрерывным ла-
- 6 -
зерным изучением изучены особенности фототравления полупроводниковых материалов
6а Аз | 6а Р , АСХ 6<х(.х А$ и А Су. 6а^х Р г находящихся в контакте с электролитом. Установлена связь между электрофизическими параметрами этих полупроводников и характеристиками дифракционных решёток.
2. Предложен метод создания концентрирующих голографических дифракционных решёток на поверхности полупроводников.Изучены особенности создания таких решёток на арсениде галлия.
3. Предложены методы создания периодических оптических неоднородностей под действием мощного импульсного лазерного излучения. Изучены особенности создания дифракционных решёток на поверхности полупроводниковых материалов путем интерференционного лазерного отжига как монокристаллических, так и напылённых аморфных слоёв. Показана возможность создания периодических оптических неоднородностей в глубине полупроводниковой монокристаллической гетероструктуры.
4. Изучены особенности дифракционного ввода излучения в волноводные гетероструктуры и А С бос Р с плавным
изменением состава по толщине. Установлены зависимости распределения показателя преломления по толщине от условий получения гетероструктур.
5. Показана возможность создания новых типов полупроводниковых лазеров с распределённой обратной связью (РОС), содержащих периодические оптические неоднородности.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
I. Разработана технология создания дифракционных решёток с помощью интерференционного фототравления на поверхности полупроводниковых материалов 6а Ав г6а.Р, АСх Ав и Абх Р , а также методика неразрушающего контроля параметров этих решёток.
- 7 -
2. Разработана технология создания голографических дифракционных решёток с заранее заданным углом блеска на арсеня-де галлия и созданы решётки с абсолютной дифракционной эффективностью более 90/2 в одном порядке.
3. Экспериментально реализован полупроводниковый гетеролазер с РОС в системе ]п6ос&Р с плавной перестройкой частоты генерации внутри полосы усиления путём сканирования области накачки вдоль штрихов решётки с изменяющимся периодом.
4. Предложены и созданы полупроводниковые лазеры с динамической РОС, в которых оптическая схема интерференционной засветки монолитно интегрирована с полупроводниковой волноводной гетероструктурой.
5. Предложены и созданы полупроводниковые лазеры 1п6а^Р/1пР с РОС, полученной с помощью интерференционного лазерного отжига волноводного слоя как со стороны его поверхности, так и через широкозонную подложку 1пР
Совокупность представленных в диссертации исследований позволяет сформулировать следующие научные положения. выносимые на защиту:
1. Эффективность дифракционных решёток, полученных методом интерференционного фототравления, определяется окислительной способностью травителя, степенью легирования полупроводникового материала, величиной коэффициента поглощения излучения, используемого для интерференционной засветки.
2. Для получения дифракционной решётки с заданным углом блеска с помощью селективного травления поверхности полупроводника через фоторезистивную маску необходимо предварительно ориентировать рабочую поверхность монокристалла таким образом, чтобы она образовывала угол с плоскостью, имеющей наименьшую скорость травления. Качество получаемых дифракцион-
- 8 -
них решёток определяется степенью заполнения поверхности полупроводника фоторезистом. Для достижения правильной пилообразной форш дифракционных решёток необходимо прекращать процесс травления точно в момент соединения боковых стенок соседних канавок.
3. В условиях интерференционного лазерного отжига оо стороны аморфного слоя полупроводникового материала, напыленного на монокристаллическую подложку, в максимумах интерференционной картины происходит эпитаксиальная кристаллизация аморфного материала в случае, когда толщина проплавленного слоя достигает толщины аморфного слоя.
4. Профиль дифракционных решёток, полученных в результате интерференционного лазерного отжига и последующего травления, определяется кристаллографическими характеристиками подложек, а также параметрами лазерных импульсов и условиями облучения.
На защиту выносится также:
а) методика численного расчёта форш и глубины фазовых дифракционных решёток по отношениям интенсивностей волн, рассеянных в различные порядки дифракции;
б) методика создания гетеролазеров с динамической и статической РОС в первом порядке на основе схемы интерференционной засветки, монолитно-интегрированной с полупроводниковой волноводной гетероструктурой.
Апробация работы. Основные результаты докладывались на УШ Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Тбилиси, 1976г.), на XI Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ереван, 1982 г.), на XII координационном совещании секции "Полупроводниковые гетероструктуры" (Саратов, 1983 г.).
- 9 -
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в семнадцати печатных работах и одном авторском свидетельстве.
Диссертация оформлена в четырёх главах.
В первой главе описывается метод интерференционного фототравления, основанный на электрохимическом взаимодействии полупроводника и электролита. Первый параграф посвящён подробному описанию конструкция экспериментальной установки, рассмотрены требования, предъявляемые к оптической схеме и к отдельным её элементам. Во втором параграфе анализируется механизм образования рельефа на поверхности полупроводника и вытекающие отсюда требования к травителю и к излучению лазера, создающего интерференционную засветку. Кроме этого описано влияние электрофизических параметров материала и ориентации кристаллографических плоскостей относительно полос интерференционной картины на качество получаемых дифракционных решёток. В третьем параграфе приводятся методы определения параметров фазовых дифракционных решёток, полученных на поверхности полупроводника.
Вторая глава посвящена разработке нового метода получения на полупроводниковых монокристаллах арсенида галлия концентрирующих дифракционных решёток с асимметричным профилем пилообразной формы. В первом параграфе этой главы обосновывается выбор ориентации рабочей поверхности кристалла для получения решёток с углом блеска. Во втором параграфе описана методика получения концентрирующих решёток с помощью интерференционного фототравления. Показано, что маскирующее действие неоднородного распределения интенсивности света оказывается недостаточным для получения решёток с резким пилообразным профилем. Третий параграф посвящён получению концентрирующих дифракционных решёток с использованием фоторезистивной маски. Здесь рассмотре-
-ГО-
ны требования к интерференционной засветке для получения высококачественной фоторезистивной маски на поверхности полупроводника. Изучены особенности селективного травления монокристаллов арсеннда галлия через фоторезистивную маску. В четвёртом параграфе описаны эксперименты по исследование) дифракционных свойств решёток с углом блеска.
Третья глава посвящена развитию нового метода создания периодических оптических неоднородностей с помощью интерференционного лазерного отжига (МО) мощными импульсными лазерами. В
Ч
первом параграфе этой главы изложены эксперименты по получению дифракционных решёток путем кристаллизации напылённых аморфных слоёв. Приводится описание лазерных установок и экспериментальных образцов. Во втором параграфе показано, что интерференционное лазерное воздействие на шероховатую поверхность кристалла позволяет получить дифракционные решётки плавлением участков поверхности в максимумах интерференционной картины и затеканием неоднородностей до полного выравнивания поверхности. Третий параграф посвящён получению объёмных дифракционных решёток,связанных не с гофрировкой поверхности, а с изменением физических свойств материала в максимумах интерференционной картины. Показано, что периодическое изменение свойств может быть создано не только на поверхности, но и в глубине полупроводниковой структуры.
В четвёртой главе представлены результаты исследования полупроводниковых волноводных гетероструктур с периодическими оптическими неоднородностями, созданными различными методами, описанными в предыдущих главах. В § I приведена методика и результаты экспериментального исследования гетероструктур с плавным изменением состава по толщине в системах АР А5 и
Ле&осР
с помощью ди<£ракционного ввода излучения. Во вто-
- II -
ром параграфе этой главы описаны эксперименты по созданию перестраиваемых лазеров РОС в системе 1пба&Р > в которых перестройка длины волны излучения происходила внутри полосы усиления активного слоя путём сканирования области накачки вдоль штрихов решётки с переменным периодом. Оптическая накачка такого лазера осуществлялась при комнатной температуре как при помощи полупроводникового гетеролазера в системе ЛР6аЙ5 с узкой диаграммой направленности, так и с использованием импульсного излучения неодимового лазера. В этом же параграфе будет продемонстрирована возможность получения гетеролазеров с РОС, основанной на периодическом изменении люминесцентных свойств гетероструктур, подвергнутых интерференционному лазерному отжигу. Применение оптической схемы интерференционной засветки монолитно-интегрированной с гетероструктурой, позволило получить эффективную РОС в первом порядке. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования мощного лазерного излучения короткой длительности в технологии изготовления интегрально-оптических приборов и схем, в частности, инжек-ционного гетеролазера с РОС. Кроме этого, во втором параграфе описаны лазеры с динамической РОС, создаваемой возбуждением активного слоя через профилированную поверхность подложки.
Прежде чем перейти к основному содержанию диссертационной работы необходимо отметить, что для создания периодических структур в полупроводниках обычно применялись традиционные методы фотолитографии, рентгенолитографии, электронолитографии.
В настоящей работе развивался голографический метод получения периодических оптических неоднородностей, впервые предложенный б работе [1]. Этот метод, как будет показано ниже, позволяет изготавливать совершенные по периоду дифракционные решётки с высокой эффективностью и пространственной частотой.
- 12 -
ГЛАВА I
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ ФОТОТРАВЛЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Интерференционное фототравление основано на электрохимическом взаимодействии полупроводника и электролита в зависимости от освещённости полупроводника и состоит в том, что на поверхности полупроводникового кристалла создаётся интерференционная картина и одновременно производится травление соответствующим электролитом.
Такой способ получения дифракционных решёток без применения фоторезистов был впервые предложен в Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе АН СССР [2,3] . Дальнейшее развитие этот метод получил в последующих работах [4,5] , в которых был проведён цикл исследований по оптимизации технологии получения дифракционных решёток. В работе [4] изложены некоторые аспекты исследований, связанных с изготовлением дифракционных решёток на поверхности монокристаллов арсенида галлия. Теоретически и экспериментально показано, что профиль дифракционных решёток,получаемых этим методом,синусоидальный. Были получены решётки с пространственной частотой более 4000 линий на миллиметр. Однако было замечено, что с увеличением пространственной частоты решёток отношение глубины решётки к её периоду уменьшается. Лучшие
о
решётки имели глубину 400 А при шаге решётки 0,24 мкм и при этом не было воспроизводимости результатов.
Последующие экспериментальные исследования [5] позволили выявить влияние ориентации полос интерференционной засветки относительно кристаллографических направлений в кристалле, роль электрофизических параметров полупроводника на глубины получаемых решёток, а также требования к травителю и к интерференционной картине, создаваемой непрерывным лазером.
- ІЗ -
Это дало возможность надёжно получать дифракционные решётки с существенно лучшими параметрами.
Поскольку время интерференционной засветки и травления обычно составляет несколько минут, к установке для получения голографических дифракционных решёток предъявляются жёсткие требования по механической стабильности. В § І.І настоящей главы приводится описание экспериментальной установки, оптической схемы и отдельных её элементов.
Механизм образования рельефа на поверхности полупроводника и вытекающие отсюда требования к травителю, влияние электрофизических параметров материала на качество получаемых дифракционных решёток, требования к излучению лазера, создающего интерференционную засветку, а также учёт ориентации пластин относительно ориентации полос интерференционной картины описаны в § 1.2. И, наконец, в § 1.3 приведены методы определения параметров фазовых дифракционных решёток, полученных на поверхности полупроводников.
§ І.І. Установка для получения голографических дифракционных решёток
Для того, чтобы интерференционная картина в процессе фо-тотравления была стабильной во времени и не смазывалась, механические колебания грунта и здания не должны были передваться установке. Это достигалось тем, что установка шлела собственный бетонный фундамент, покоящийся на песчаной подушке, развязанный от фундамента здания. В качестве оптического отола использовалась массивная стальная плита весом 1,5 т от установки СИН-2.
Она амортизировалась автомобильными камерами, наполненными воздухом при низком давлении. Для устранения поперечных колебаний между оптическим столом и фундаментом помещался слой га-
- 14. -
зетной бумаги толщиной 5 ом. Схема установки показана на рис.
І.І. Кроме того, неподвижность интерференционной картины относительно образца, на котором производилась запись этой картины, достигалась надёжным креплением всех оптических деталей установки и образца на оптическом столе.
І.І.І. Оптическая схема установки
В данной работе для получения дифракционных решёток методом интерференционного фототравления использовалась стандартная оптическая схема, изображённая на рис.1.2. Луч одномодового Не-Сс/ лазера с ?[0 = 0,4416 мкм после пространственной фильтрации и расширения делился на два луча равной интенсивности. Затем эти лучи с помощью поворотных зеркал сводились вместе под определённым углом друг к другу. В месте пересечения двух пучков устанавливался образец, на поверхности которого возникала интерференционная картина в виде чередующихся светлых и темных полос. Расстояние мевду интерференционными полосами определяло шаг дифракционной решётки, возникающей после травления образца, находящегося в кювете с травителем. Травление и засветка образца при этом происходили одновременно. Период дифракционной решётки О, связан с углом ос мевду сходящимися пучками соотношением:
где \0 - длина волны излучения лазера в вакууме. Минимальный
2 єіп °с/2 ’
шаг решётки определяется /\0 и, следовательно, равен:
Л — ''У
/77//7 — }
\о
2
- Київ+380960830922