1.1. Ф0Т01II1ЫЕ КРИСТАЛЛЫ.................................................................4
1.2. Фотоннокристаллические структуры и функциональные устройства на их основе............7
1.3. Перестраиваемые фотонные кристаллы..................................................11
ГЛАВА 1. РАСЧЕТ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОДНОМЕРНОГО ФОТОННОГО КРИСТАЛЛА__________________________________________________________________________________19
1.1 .Метод характеристических матриц.....................................................19
1.2. Расчет спектров отражения периодической структуры на основе щелевого кремния........22
1.2.1. Изменение спектров отражения в зависимости от числа периодов периодической структуры кремний-воздух..................................................................24
1.3. Карты фотонных запрещенных зон......................................................26
1.4. Расчет карт фотонных запрещенных зон для композитных фотонных кристаллов............30
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1..........................................................................37
ГЛАВА.2.ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ......................................................................... 39
2.1. Методы микроструктурирования кремния...............................................39
2.1.1. Методы «сухого» травления.....................................................39
2.1.2. Методы жидкофазного травления.................................................41
2.2. Анизотропное травление кремния.....................................................42
2.2.1. Анизотропное травление кремния ориентации (100)...............................43
2.2.2. Анизотропное травление кремния ориентации (НО)................................46
2.2.3. Маскирующие покрытия при анизотропном травлении в КОИ.........................49
2.2.4. Выбор исходных материалов и метода микроструктурирования......................51
2.3.Технологи я 1 юлучения одномерного фото« и юго кристалла на основе кремния (110) с помощью анизотропного травления......................................................51
2.3.1.Проектирование фотошаблона для прецизионной ориентации щелей вдоль аеда плоскости (111)...........................................................................54
2.3.2.Проектирование фотошаблонов для создания композитных периодических структур....57
2.4. Технология получения периодической структуры изолированной о г подложки............60
2.4.1. Изоляция обратно-смещенным р-п-переходом......................................61
2.4.3. Изоляция с помощью 301-структур...............................................63
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2..........................................................................65
ГЛАВА 3. КОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ ЩЕЛЕВОГО КРЕМНИЯ И ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА 67
3.1. Свойства жидких кристаллов.........................................................67
3.1.1. Опредаение параметра упорядоченности по дихроичному отношению.................72
3.1.2. Определение ориентации молекул ЖК с помощью двулучепреломления................73
3.1.3. Определение ориентации молекул ЖК с помощью комбинационного рассеяния света...75
2
3.1.4. Переход Фредерикса в нематических жидких кристаллах..................................76
3.2. ВЫБОР ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СМЕСИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЕВОЙ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ...............................................................80
3.3. ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ КОМПОЗИТНЫХ СТРУКТУР........................................83
3.3.1.Исследование ориентации молекул ЖК в поляризационном микроскопе.......................86
3.3.2. Определение ориентации молекул ЖК в кремниевой периодической структуре с помощью ИК спектрометрии...............................................................................86
3.3.5. Определение ориентации молекул ЖК в кремниевой периодической структуре с помощью КРС ...............................................................................93
3.4. ЭЛЕКТРООПГИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ..................................................................97
3.4.1.Регистрация электрооптического эффекта в поляризационном микроскопе на образце с р-п-переходом...................................................................................97
3.4.2.Исследование электрооптического эффекта с помощью ИК- спектрометрии и КРС для образцов с р-п-переходом....................................................................98
3.4.3.Исследование электрооптического эффекта с помощью И К- спектрометрии и КРС для образцов на 801-структурах.................................................................102
ВЫВОД К ГЛАВЕ 3............ ««••••Н«И»Ж««Ж«МН#Ж1И«Ж«МвНМ*М«И«*Н«*М««М«««11М|НваЖ*НИ»МЖ«НЖН#Ж#1< 106
ГЛАВА 4. ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ___________________________________________107
4.1. Методика измерений и обработка результатов...............................................107
4.2. Фотонные запрещенные зоны незаполненного ШФК.............................................109
4.3. Спектры композитных структур.............................................................111
4.4. Термооптический эффект в композитных ФК............................................114
4.5. ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В КОМПОЗИТНЫХ ФК................................................118
4.6. Оценка быстродействия перестраиваемого фотонного кристалла...............................128
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4........................................................ .............................................................. -.131
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................132
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ 110 ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.. .......................................................136
ПРИЛОЖЕНИЕ....................................................... —............ ..............140
ПЛ. РЕЖИМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ 10 ФК С ПОМОЩЬЮ АНИЗОТРОПНОГО ТРАВЛЕНИЯ КРЕМНИЯ............................. .................................. 140
СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:................................................................... 144
Введение
Прогресс оптических технологий в вычислительной технике и связи невозможен без одновременного развития их элементной базы - средств мультиплексирования, коммуникации, передачи сигналов. Новое слово в этой области - фотонные кристаллы (ФК), способные не только заменить традиционные элементы оптических систем, но и стать основой для фотонных интегральных схем [1].
1.1. Фотонные кристаллы
Понятие фотонный кристалл появилось 1987 году благодаря работам [2, 3]. Фотонные кристаллы - это новый класс оптических материалов, для которых характерно наличие следующих двух свойств. Первое - это периодическая модуляция (трансляционная симметрия) диэлектрической проницаемости с периодом, сравнимым с длиной волны света. Второе наличие связанной с периодичностью кристалла фотонной запрещенной зоны (ФЗЗ) в спектре собственных электромагнитных состояний кристалла [4]. Как известно из физики твёрдого тела, при наличии периодичности в структуре материальной среды в энергетическом спектре возникают так называемые энергетические зоны. В полупроводниковом кристалле оптические свойства материала тесно связаны с шириной запрещённой зоны, величина которой равна энергетическому расстоянию между потолком валентной зоны и дном
о
зоны проводимости. В кристаллическом твёрдом теле период решётки (бМО* см) сравним с длиной волны де-Бройля для электрона; при этом спектр разрешенных и запрещенных зон обусловлен значениями возможных энергетических состояний электронов и дырок. Наличие периодической структуры в веществе с периодом, близким к длине электромагнитной волны, приводит к формированию соответствующих разрешённых и запрещённых зон для фотонов. Для фотонов такое поле получают периодическим
4
изменением коэффициента преломления среды - в одном, двух или трех измерениях (Ш-, 20-, ЗО-фотонные структуры соответственно).
Для понимания процессов в фотонном кристалле его можно сравнить с кристаллом полупроводника, а распространение фотонов с движением носителей заряда - электронов и дырок. На рис. 1 изображена ФЗЗ для полупроводника с энергетической зоной с прямыми переходоми. Справа схема фотонной дисперсионной зависимости. Слева, схема электронной дисперсионной зависимости: валентной зоны и зоны проводимости.
Рис. 1. Справа: фотонная дисперсионная зависимость и запрещенная зона. Слева: электронная дисперсионная зависимость типичная для прямых переходов в полупроводниках; точками изображены электроны и дырки [5].
В области перекрытия по энергии электронной и фотонной зон спонтанная излучательная рекомбинация электронов и дырок невозможна [5].
Вследствие наличия запрещенной зоны для фотонов вытекают следующие положения:
1. В области фотонной полной запрещенной зоны невозможно спонтанное излучение, для которого требуется наличие собственных состояний в спектре излучаемых фотонов. В частности электронно-дырочная рекомбинация должна
5
полностью подавляться, если частота оптического перехода попадает в фотонную запрещенную зону образца;
2. Фотоны могут локализоваться на диэлектрических дефектах фотонного кристалла, приводя к образованию необычных фотонных состояний, включая связанные атомно-фотонные состояния.
В 1991 году впервые был изготовлен трехмерный фотонный кристалл путем сверления миллиметровых отверстий в материале с высоким показателем преломления (рис. 2) [6]. В этом искусственном кристалле, названном «яблоновитом», реализовывалась полная фотонная запрещённая зона при частотах 15 ГГц. Технологические достижения в области получения структур с микронными и субмикронными размерами в последние десятилетие сделали возможным изготавливать ФК с запрещенными зонами в области оптических частот. Эти методы можно условно разделить на самоорганизующиеся системы (например, искусственные опалы) и структуры с заданной решеткой, получаемой, как правило, методами литографии. Для света, распространяющегося в определенном направлении в ФК имеются определенные области частот, так называемые стоп-зоны, для которых коэффициент отражения близок к 100%, т.е. электромагнитная волна не проникает в глубь материала.
Рис. 2. Искусственный трехмерный фотонный кристалл «яблоновит» [6].
6
1.2. Фотоннокристаллические структуры и функциональные устройства на их основе
В связи с успехами в области кремниевых излучателей [7] и других элементов микрофотоники на основе монокристаллического кремния, которые оперируют светом, распространяющимся в плоскости подложки, появились серьезные предпосылки для реализации полностью кремниевых оптоэлектронных схем. Описание технологии и термина - кремниевая микрофотоника предложено в работе [8].
Существует три вида фотонных кристаллов: одномерные, двухмерные и трехмерные, в зависимости от того в скольких измерениях происходит модуляция показателя преломления. На рис. 3 показаны виды ФК и примеры их реализации на кремнии.
Одномерные (Ю) ФК Двумерные С20) ФК Трехмерные (30) Ф К
!ЙУ
1 2 3
Примеры реализации
Рис. 3. Виды фотонных кристаллов: а) схематичное изображение: 1-одномерный ФК, 2-двумерный ФК, 3-трехмерный ФК; б) примеры реализации на кремнии: 1 - слоистая структура микропористого кремния -одномерный ФК [9], 2 - упорядоченная решетка макропористого кремния -двумерный ФК [10], 3 - поленица из кремниевых полосок - трехмерный ФК [11].
7
Фотонные кристаллы позволяют получать на их основе новые элементы для оптоэлектроники:
- широкополосные фотонно-кристаллические волноводы [12];
- фотонно-кристаллические волокна [13-16]. Как правило, эти волокна включают периодическую структуру воздушных пустот в пределах кварцевой сердцевины, причем в центре находится либо кварцевая сердцевина, либо ядро в виде полого воздушного волновода.
- лимитеры (оптические ограничители), в которых используется двумерный фотонный кристалл с показателем преломления структуры, зависящий от интенсивности падающего излучения [17, 18].
- мирорезонаторы [19, 20], примером, которого может служить точечный дефект в решетке макропористого кремния (рис. 4);
Рис. 4. Макропористый кремний с дефектом, который работает как мирорезонатор [19].
- волноводы, пример, которого показан на рис. 5, полученного сухим
травлением кремния [21].
ААлЛМіиииииии
ХУюОООЖ
ОООп
ООО*
ооой 0000 оооо
!>•>>>;•>>>>>>]
Рис. 5. Волновод на основе кремния, осуществляет поворот свет на 90° [21].
8
- волновод в слоистой структуре, который может быть получен в виде полости в кремнии, окруженной многослойным отражателем. [22] (рис. 6);
6 pairs Si/Si02
Si substrate
6 pairs Si/Si02
a)
Si substrate
Si substrate
Si substrate
\ v
SiO, Si
6)
Рис. 6. Волновод: а) схема структуры волновода; б) поперечное сечение изготовленного волновода [22].
9
650 750 850 913 916 1000 1100 1200
Wavelength (nm)
a) 6)
Рис. 7. Микрорезонатор на основе микропористого кремния: а) поперечное сечение, б) экспериментальный спектр отражения (точки) и расчетный спектр (линия) [23].
- микрорезонаторы на основе микропористого кремния с дефектом
[23] (рис. 7);
- микрорезонатор на основе одномерного ФК, полученного в волноводе с помощью рентгеновской литографии [24] (рис. 8); а) б)
1 pm
Л li f -;Tf МП
Рис. 8. Микрорезонатор на основе одномерного кремниевого фотонного кристалла: а) изображение микрорезонатора в сканирующем электронном микроскопе; б) спектры пропускания: синяя линия - расчетный спектр, красная линия - экспериментальный [24].
10
- фильтры и микрорезонаторы на основе одномерного ФК, полученного при использовании электронно-лучевой литографии и «сухого» травления кремния [25] (рис. 9);
2^ f
| 200^111 К-
simulation
1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1500 1550 1730 1750
wavelength (nm)
б)
а)
simulation
1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1500 1550 1700 1750
wavelength (nm)
в)
Рис. 9. Одномерный фотонный кристалл: а) изображение одномерного фотонного кристалла в оптический микроскоп; б) микрорезонатор на основе одномерного ФК с дефектом; в) фильтр на основе одномерного ФК [25].
1.3. Перестраиваемые фотонные кристаллы
Дополнительные возможности и большая функциональная гибкость появляются, если ФЗЗ структуры может изменяться в реальном времени. Практически это означает, что спектр отражения ФК изменяется при
И
внешнем воздействии. Перестройка ФЗЗ может происходить за счет изменения геометрических размеров решетки ФК (деформация, тепловое расширение) или за счет изменения показателя преломления одного из слоев. В кремниевых Ю и 20 ФК показатель преломления кремния может быть изменен путем инжекции свободных носителей. В этом случае действительная часть диэлектрической проницаемости уменьшается за счет возрастания плазменной частоты [26].
В работе [27] было показано экспериментально, что при оптической генерации носителей лазерными импульсами длительностью ЗООпс в 20 ФК, полученном электрохимическим травлением кремния, наблюдается сдвиг края ФЗЗ вблизи А=1.9 мкм. В работе [28] предлагается использовать инжекцию носителей заряда из р-п-перехода, чтобы модулировать свет, проходящий по волноводу. Волновод содержит микрорезонатор, заключенный между 10 ФК - брэгговскими зеркалами. Такой способ перестройки ФК характеризуется высоким быстродействием (1нс), но малым спектральным сдвигом ФЗЗ, т.к. изменение показателя преломления обычно не превышает |Ди|<10’3.
В работе [29] продемонстрирован управляемый оптический фильтр на основе одномерного фотонного кристалла полученного глубоким реактивным травлением кремния. Сдвиг пика пропускания достигался изменением показателя преломления кремния за счет нагрева.
Значительно больший эффект может быть получен в композитных ФК, пустоты которых заполняют материалами, оптические константы которых могут сильно изменяться. В [30] представлен фотонный кристалл на основе инвертированного опала, заполненного диоксидом ванадия (УСЬ). В этой работе управление ФЗЗ происходит за счет фазового перехода УС>2 при нагреве до 87°С, при этом сдвиг ФЗЗ составил 38нм, а полоса высокого отражения сузилась и уменьшилась по интенсивности.
В теоретической работе [31] было предложено использовать нематический жидкий кристалл (НЖК) для инфильтрации полостей
12
инвертированного опала, где показатель преломления ЖК может изменяться с помощью электрического поля и его изменение может достигать Ап=0.22. После этого появился ряд экспериментальных работ, посвященных созданию композитных ФК с жидкокристаллическим наполнителем. В них предпринимались более и менее успешные попытки управлять спектральным положением ФЗЗ [9, 32-36]. Например, в работе [34] был продемонстрирован сдвиг фотонной зоны на 70 нм двумерного композитного ФК на основе кремниевой матрицы в виде макропористого кремния, обусловленный изменением показателя преломления жидкого кристалла при переходе ЖК из мезофазы в изотропное состояние при нагреве до 62°С.
Актуальность диссертационной работы:
Наиболее интересными свойствами ФК являются подавление спонтанной эмиссии атомов и молекул и локализация света. С помощью фотонных структур могут быть созданы беспороговые излучатели и низкопороговые лазеры, высокодобротные микрорезонаторы, волноводы, оптические фильтры, модуляторы, суперпризмы, нелинейнооптические генераторы, замедлители света и т.д. Большой интерес к ФК стимулировал интенсивные исследования в этой области в рамках национальных и международных программ.
Среди множества применений ФК следует обратить особое внимание на интегральную оптику и, в частности, кремниевую микрофотонику, которую можно рассматривать как оптический эквивалент микроэлектроники для интегральных схем. Обработка информации внутри чипа может осуществляться как с помощью оптических элементов, так и в сочетании с электронными компонентами. В последнем случае кремниевая микрофотоника базируется на элементах, интегрированных в чип, таких как излучатели, волноводы, модуляторы и детекторы, и призвана увеличить скорость обработки информации за счет снижения задержек в межсоединениях. Последние успехи в области создания эффективных
13
- Київ+380960830922