Исследование нелинейно-оптических процессов в неоднородных средах на основе пористых полупроводников

Стр 1 из 5Следующая ⇒

Кафедра оптоэлектроники

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Исследование нелинейно-оптических процессов в неоднородных средах на основе пористых полупроводников

Работу выполнил Кучеря Александр Александрович

Специальность 210401 - Физика и техника оптической связи

Научный руководитель

канд. физ. - мат. наук, доцент Л.Р. Григорьян

Нормоконтролер инженер А. Прохорова

Краснодар 2013

Реферат

Дипломная работа: ___ с., 24 рис., 17 используемых источников.

ПОРИСТЫЙ КРЕМНИЙ, ПОРИСТОСТЬ, ФОТОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ, НЕЛИНЕЙНЫЕ ПРОЦЕССЫ.

Объектом рассмотрения данной курсовой работы является многослойные структуры на основе пористого кремния.

Целью работы является исследование линейных и нелинейных процессов в неоднородных средах на основе пористых полупроводников.

В результате выполнения курсовой работы были рассмотрены способы получения пористых полупроводников на примере кремния, процесс формирования, методы исследования, линейные и нелинейные процессы в неоднородных средах на основе пористых полупроводников.

Содержание

Введение

1. Структурные модификации кремния

1.1 Кремний как материал современной электроники

1.2 Монокристаллический кремний

2. Пористый кремний

2.1 Формирование слоёв пористого кремния

2.2 Свойства и применение пористого кремния

3. Пористый фосфид галлия

4. Фотонно-кристаллические структуры на основе пористых полупроводников

5. Упорядоченные оптически неоднородные среды на основе пористых полупроводников

5.1 Одномерные фотонно-кристаллические структуры на основе пористого кремния

5.1.1 Спектры отражения

5.1.2 Дисперсионные свойства

5.2 Одномерные фотонно-кристаллические структуры на основе окисленного пористого кремния

6. Модификация нелинейной восприимчивости в пористых проводниках

7. Нелинейно-оптические процессы в оптически неоднородных средах на основе пористых полупроводников

7.1 Генерация второй гармоники в структурах на основе микропористого кремния

7.2 Генерация третьей гармоники в структурах на основе мезопористого кремния

Заключение

Список использованных источников

Введение

Возрастающие потребности в передаче данных требуют создания новых приборов и устройств, позволяющих в широком спектральном диапазоне осуществлять быстрое переключение и изменять частоту сигнала. Дальнейшее развитие таких систем будет в основном определяться возможностью генерировать, переключать и детектировать оптический сигнал, используя нелинейно-оптические процессы. В то же время современные телекоммуникационные технологии требуют миниатюризации устройств для управления распространением изучения. Однако большинство имеющихся на сегодня нелинейно-оптических кристаллов обладают либо сравнительно малой нелинейной восприимчивостью, но при этом в них возможна большая длина нелинейно-оптического взаимодействия, например за счёт фазового согласования процесса, либо, наоборот, при большой нелинейной восприимчивости длина взаимодействия очень мала и зачастую ограничена несколькими длинами волн. В связи с этим встает необходимость в развитии новых подходов, которые приведут к формированию новых искусственных материалов на основе наноструктур, позволяющих сочетать высокую нелинейную восприимчивость с большой длиной взаимодействия.

Получение и исследование новых материалов с требуемыми структурными и оптическими свойствами представляет собой актуальную задачу современной лазерной физики, решаемую методами нанотехнологии. Для этого проводится " сборка" тем или иным способом нанокристаллов или нанокластеров, электронные и оптические свойства которых определяются их размером и формой. Оптические свойства ансамбля наночастиц будут определяться не только взаимодействием между атомами, но и взаимным расположением нанокластеров, а также их объемной долей. Важным примером таких сред являются пористые полупроводниковые и диэлектрические материалы, образующиеся в результате процесса электрохимического травления. Они представляют собой нанокомпозитные среды, образованные пустотами в объеме (порами) и оставшимися после удаления части материала нанокристаллами или нанокластерами полупроводника.

Одним из способов создания новых материалов с заданными структурными, электронными и оптическими свойствами является формирование наноструктурированных сред. Принципиальную роль для создания новых нанокомпозитных сред играет не только материал, используемый для их изготовления, но и их микроструктура этих сред. Свойства таких нанокомпозитов определяются размером, формой и упорядоченностью составляющих их наночастиц, а также факторами заполнения наночастицами.

Среди разнообразных наноструктурированных сред следует особо отметить пористые полупроводники и диэлектрики, образованные путем удаления части материала из объёма. Возникающие при этом поры и остающиеся нанокристаллы имеют размеры от единиц до сотен нанометров. Физические свойства получившихся структур отличаются от свойств исходного материала, зачастую радикально. Можно выделить три основные причины модификации их свойств:

) квантово-размерные эффекты для нанообъектов, размеры которых не превосходят длины волны де Бройля электрона;

2) поверхностные эффекты, связанные с появлением новых электронных и фононных состояний поверхности, площадь которой заметно (иногда на несколько порядков) увеличилась после образования пор;

) локальные поля в нанокомпозитной среде, которые определяются размерами, формой и упорядоченностью нанообъектов.

полупроводник кремний электроника пористый

Структурные модификации кремния

Кремний как материал современной электроники

Кремний является основным материалом современной электроники: на его основе изготавливаются 95% интегральных схем и свыше 90% полупроводниковых приборов и устройств. Достоинством материала является то, что он может быть получен в разных структурных модификациях (монокристаллической, аморфной, поликристаллической, микрокристаллической, нанокристаллической, пористой), каждая из которых обладает уникальным набором свойств, совместима друг с другом и с технологическими процессами кремниевой технологии. Пористый кремний (ПК) был открыт во второй половине 50-х годов 20-го века при изучении процессов электрохимической полировки кремниевых пластин. Первые же исследования показали, что наличие в монокристаллическом кремнии развитой сети мелких пор приводит к появлению в материале ряда специфических явлений, таких как высокая удельная поверхность (до 800 м2/см3) и повышенная химическая активность, когда скорости химических реакций увеличиваются в 10-100 раз по сравнению с монокристаллическим кремнием. Эти свойства были использованы в 60-70-е годы в микроэлектронике для формирования толстых диэлектрических слоев по IPOS (Isolation by Porous Oxidized Silicon) и FIPOS (Full Isolation by Porous Oxidized Silicon) технологиям, для создания структур кремний-на - изоляторе. После открытия в 1990 году Кэнхемом явления люминесценции ПК при комнатной температуре в видимой области спектра началось активное всестороннее изучение свойств ПК. Если в период с 1980 по 1990 гг. число публикаций по тематике ПК не превышало 20 журнальных статей в год, то после 1995 года эта цифра стала больше 400. Комплексные исследования показали многообразие свойств ПК, были предложены новые области применения пористых кремниевых слоев [4]. В настоящее время на основе ПК активно разрабатываются функциональные элементы сверхбольших интегральных схем, оптоэлектронные пары излучатель-приемник, устройства ультразвуковой электроники, солнечные элементы, волноводы, датчики влажности и состава газов, приборы для мониторинга окружающей среды, биосенсоры, биоматериалы, антиотражающие покрытия, фотонные кристаллы, интегральные конденсаторы и т.д.

Монокристаллический кремний

Широкое использование монокристаллов кремния в устройствах электроники стало настолько привычным, что мало кто задается вопросом, почему именно кремнию из всех полупроводников отдается предпочтение при создании электронных приборов. Ведущее положение кремния связано с широким набором положительных свойств, многих из которых нет у других полупроводниковых материалов. Кремний как химический элемент широко распространен в природе, и его содержание в земной коре составляет 29, 5%. Он технологичен, инертен в обычных условиях, выдерживает высокие температуры, сопровождающие процесс изготовления приборов и интегральных схем. Для создания диэлектрических слоев нет необходимости специально искать диэлектрические материалы - собственный окисел SiO₂, формируемый на кремнии при высоких температурах в окислительной среде, прекрасно выполняет изолирующие и маскирующие функции. В кристаллической решетке атомы кремния занимают только 25% объема, в результате чего материал имеет малую плотность (2, 32 г/см³, для Ge 5, 35 г/см³) и допускает сильное легирование элементами III и V групп. Каждый введенный в кристалл кремния атом III или V группы добавляет один носитель заряда с положительным знаком (дырку) или один электрон соответственно. Концентрация носителей заряда в результате этого может изменяться в широких пределах - от 10¹⁰ до 10²¹ см^-3. Высокие значения коэффициентов диффузии легирующих элементов в кремнии позволяют формировать локальные области микронных и субмикронных размеров с дырочным (p-Si) или электронным (n-Si) типом проводимости, совокупность которых и составляет основу любой интегральной схемы или полупроводникового прибора. Производство кремниевых монокристаллов превышает 3000 тонн в год.

Однако монокристаллический кремний имеет и недостатки. Один из них связан с относительно невысокой подвижностью носителей заряда (для электронов 1500 см²/ (В с), дырок 600 см²/ (В с)), что ограничивает быстродействие приборов. Для этих целей применяют другой полупроводник - арсенид галлия GaAs, у которого подвижность электронов при комнатной температуре 8500 см²/ (В с), а при температуре кипения жидкого азота (77 К) 250 000 см²/ (В с). Результатом этого стало появление нового технологического направления, получившего название арсенид-галлиевой микроэлектроники. Другой недостаток монокристаллического кремния заключается в том, что его нельзя использовать для создания светоизлучающих приборов. Светоизлучающие структуры широкого спектрального диапазона изготавливают на основе других полупроводников (GaAs, GaP, GaN, ZnS, ZnSe и др.), однако решение этой задачи в перспективе все же возможно в рамках кремниевой технологии. В настоящее время существуют два подхода к этой проблеме. Один из них состоит в легировании кремния редкоземельными элементами (Er, Eu, Gd), в результате чего такой модифицированный кремний обладает излучающими свойствами в инфракрасном диапазоне. Другой подход заключается в формировании на поверхности или в объеме диэлектрических материалов (например, SiO₂) кремниевых кристаллов нанометровых размеров (1 нм = 1 10^-9 м). Способы получения наноструктурированных материалов множество. Среди таких технологических приемов наиболее доступным и дешевым является создание нанокристаллов посредством вытравливания в монокристаллах кремния мельчайших пустот, в результате чего оставшиеся области кремния могут иметь размеры в несколько нанометров. Монокристаллический кремний, пронизанный сетью пор (пустот), получил название пористого кремния. Такой материал, как будет показано ниже, не только обладает светоизлучающими, но и другими уникальными свойствами.

На рисунке 1 видно, что кремний существует в нескольких структурных модификациях. Все эти материалы имеют различные физические свойства, разные области применения, хорошо совместимы и, взаимно дополняя друг друга, обеспечивают широкие возможности кремниевой технологии. Каждый из семейства кремниевых " братьев" достоин отдельного рассмотрения, однако перейдем к описанию самого загадочного из них - кремния с пористой структурой.

Рисунок 1 - Семейство кремния и области применения материалов

Пористый кремний

Пористый фосфид галлия

Пористый фосфид галлия (ПФГ) представляется весьма перспективным материалом для разнообразных оптических применений. Более широкая, чем в с-Si, запрещенная зона GaP делает возможным его использование в красной и желтой спектральных областях видимого диапазона (длина волны больше 550 нм), а нецентросимметричность его кристаллической решетки обусловливает высокую дипольную квадратичную нелинейную восприимчивость (200 пм/В), которая на два порядка превышает эту же величину для большинства кристаллов, применяемых для удвоения частоты. Все вышеперечисленные свойства, а также размер неоднородностей (пор и нанокристаллов), сравнимый с длиной оптической волны, делают ПФГ многообещающим объектом для исследования эффектов локализации света

Слои ПФГ формируются с помощью электрохимического травления пластин n-GaP, легированного Te или S, в растворах H₂SO₄ и HF. Приложение высокого положительного потенциала (около 15 В) к пластине GaP приводит к сильному изгибу энергетических зон на границе GaP/электролит.

В результате межзонного туннелирования электронов из валентной зоны в зону проводимости на поверхности GaP образуется избыток дырок, которые расходуются в процессе травления (рисунок6).

Неравновесные носители заряда также создаются при освещении кристалла GaP. Концентрация дырок в приповерхностной области GaP неоднородна вдоль поверхности, что приводит к росту пористой структуры вглубь образца.

Рисунок 6 - Схематическое изображение энергетических зон GaP на границе раздела с электролитом

Реакция электрохимической диссоциации для GaP имеет вид:

+ 6OH^-+ 6h⁺ → 0.5Ga₂O₃ + 3H₂O.

Распространение пор в GaP происходит, как правило, вдоль выделенных кристаллографических направлений < 111>, поскольку вдоль них химическая связь наиболее слабая.

Формирование пор в GaP характеризуется выраженной доменной структурой (рисунок 7). Рост пор начинается с травления поверхностного дефекта, который является центром образующегося домена пористого GaP. Затем поры распространяются вглубь монокристалла, и домен увеличивается в размерах до тех пор, пока его рост не будет ограничен соседними доменами. Размеры доменов составляют от 5 до 20 мкм в зависимости от условий травления. C увеличением напряжения на ячейке размер доменов и средний радиус пор увеличиваются. Как свидетельствуют изображения поверхностей ПФГ, полученные с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ), размер неоднородностей (пор и нанокристаллов) составляет от 0, 05 до 1 мкм (рисунок 8).

а б

Рисунок 7 - Изображения поверхности ПФГ (GaP: S (6 10¹⁷ см^-3), 2М спиртовой раствор HF, U = 20 В), полученные с помощью растровой электронной микроскопии: a) доменная структура поверхностного слоя, б) пористая структура на сколе образца

Рисунок 8 - Изображения поверхностей ПФГ c ориентациями поверхности (110) (а) и (111) (б), полученные методом атомно-силовой микроскопии

Рисунок 9 - Зависимости плотности тока от времени при электрохимическом травлении монокристаллического (111) GaP в 2M спиртовом растворе HF в режиме стабилизации напряжения. На врезке представлена вольт-амперная характеристика для указанных условий

Рисунок 9 представляет зависимости плотности тока травления GaP j в спиртовом растворе HF от времени t для различных величин приложенного напряжения смещения. На врезке к рисунку 9 показана вольт-амперная характеристика для границы раздела GaP/электролит. Как видно, рост тока начинается при критическом напряжении U_c =5 В, для которого становится возможным туннелирование электронов, и продолжается до напряжения пассивации U_pass=23 В; в этом интервале напряжений возможно формирование пористого слоя. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к спаду тока, связанному с образованием на поверхности оксидного слоя. Зависимость j (t) является немонотонной, и в ней может быть выделено несколько этапов:

первый этап (0 - 1 с) - начало роста плотности тока - соответствует началу роста пор в определенных точках поверхности;

второй этап (1 - 4 с) - рост плотности тока и достижение максимума - соответствует росту отдельных доменов ПФГ; максимум в зависимости j (t) достигается, когда домены встречаются друг с другом, после чего начинается

третий этап (с 4 с) - медленный спад плотности тока и её выход на постоянный уровень - соответствует режиму роста, при котором размер доменов постоянен и формируется плоская граница между пористым слоем и кристаллом GaP.

Структура пор в GaP, формирующихся во фторидных электролитах, в значительной степени зависит от напряжения, подаваемого на ячейку. В случае кристаллов с высоким уровнем легирования (~10¹⁸см^{- 3}) активное порообразование (j ~ 0, 5 A/см²) происходит при напряжениях 12 - 14 В. При этом наблюдается спонтанное образование пор в направлении < 111> на стыках граней 100 и 110. Снижение напряжений до значений близких к U_c не обеспечивает перехода к выраженной анизотропии в распространении пор по определенному направлению. Тем не менее, поры приобретают треугольное сечение, и начинает проявляться тенденция к движению их по направлениям < 211>. Можно также отметить, что в сильно легированном GaP, несмотря на отсутствие явной привязки направлений пор к кристаллографическим осям, траектории их движения лежат преимущественно в плоскостях 110. Для низколегированного GaP (10¹⁶ - 10¹⁷ см^-3), формирование сплошных пористых слоев становится возможным при напряжениях на ячейке более 20 В. В этих условиях практически утрачивается связь конфигурации системы полостей и соединяющих их каналов в пористых слоях со структурой решетки кристалла. При использовании в качестве электролита водного раствора H₂SO₄ структура пор получается несколько более упорядоченной (рисунок 8б).

Спектры отражения

Одномерные фотонно-кристаллические структуры на основе ПК были получены путем периодического чередования плотностей тока при электрохимическом травлении кристаллического кремния. Основной способ характеризации полученных многослойных структур - это измерение их спектра отражения или пропускания [1, 11]. Форма такого спектра может быть рассчитана с использованием, например, матричного метода. В таких системах положение фотонной запрещенной зоны определяется толщинами и эффективными показателями преломления слоев ПК (т.е., в конечном счёте, их пористостью) (рисунок 11) [1].

Рисунок 11-Спектры отражения многослойной структуры на основе ПК с различными периодами

В многослойной системе, образованной чередующимися слоями с эффективными показателями преломления n₁, n₂ и толщинами d₁, d₂ соответственно условие возникновения ФЗЗ первого порядка с центром на длине волны λ будет иметь вид:

n₁d₁ + n₂d₂ =λ /2, (5.1)

Отметим, что величина коэффициента отражения, а также крутизна границ получающейся ФЗЗ определяется числом периодов в многослойной структуре (рисунок 12).

Рисунок 12 - Спектры отражения многослойной структуры на основе ПК для различного количества периодов

Нарушение периодичности структуры является аналогом дефекта в твердом теле и ведет к возникновению узких полос пропускания в спектрах (рисунок 13).

Рисунок 13-Спектры отражения многослойной структуры на основе ПК для различного количества периодов

Используя двулучепреломляющие слои ПК, мы можем сформировать одномерный фотонный кристалл, у которого положения фотонных запрещенных зон зависит от поляризации (рисунок 14) [11]. Подобные многослойные структуры могут быть полезны для создания дихроичных зеркал и фильтров.

Рисунок 14 - Спектры отражения многослойной структуры на основе анизотропного пористого кремния [1]

Дисперсионные свойства

Многослойные структуры отличаются своим законом дисперсии, обусловленным их периодичностью. Для одномерной бесконечной структуры электрическое и магнитное поля могут быть в соответствии с теоремой Блоха представлены в виде [12]:

e^iKzu (z), (5.2)

где u (z) - периодическая функция, а K - блоховский вектор, подчиняющийся для TE и TM поляризованных волн соотношениям:

(Kd) =cos (k₁d₁) cos (k₂d₂) + (k₂/k₁+k₁/k₂) sin (k₁d₁) sin (k₂d₂), (5.3)

cos (Kd) =cos (k₁d₁) cos (k₂d₂) + (n₂² k₁/n₁²k₁+ n₁²k₁/ n₂²k₁) sin (k₁d₁) sin (k₂d₂), (5.4)

где d₁, n₁, k₁ =2π n₁ /λ и d₂, n₂, k₂ = 2π n₂ /λ - толщины, показатели преломления и волновые вектора каждого из слоёв соответственно, λ - длина волны в вакууме, d = d₁ + d₂ - период структуры.

Многослойную структуру, состоящую из конечного числа слоёв, также можно характеризовать эффективным показателем преломления n_eff = Kc /λ, где K - эффективный волновой вектор, определяемый дисперсией всей структуры как целого, c - скорость света в вакууме, а также параметрами дисперсии первого порядка u = д ω / дK и второго порядка k₂ = д²K/ dω ². Эти параметры были определены для реальной структуры, состоящей из 12 чередуюшихся пар слоёв ПК низкой и высокой пористости; спектр отражения этой структуры приведен на рисунке 15, а.

Показатели преломления и толщины слоёв были уточнены путём подгонки расчётного спектра под реальный и составили n₁=1.42, d₁ = 110 нм, n₂ = 1.22, d₂ = 127 нм. Чтобы определить эффективный показатель преломления были выполнены расчёты коэффициента пропускания многослойной структуры для поля t матричным методом [12] (коэффициент пропускания T = |t|²). Тогда argt = Δ ϕ, где Δ ϕ разность фаз падающей на структуру и прошедшей через нее волн. Отсюда удаётся найти действительную часть эффективного показателя преломления:

n_eff=Δ ϕ λ /2π L, (5.5)

где L - толщина образца, и его мнимую часть:

Im n_eff=− ( λ /2 π L) ln|t | (5.6)

Зависимости эффективного показателя преломления от длины волны представлены на рисунке 15, б.

Возможность управления дисперсией многослойной структуры предоставляет нам большую свободу для управления параметрами ультракоротких лазерных импульсов. В частности, если длина волны лазерного излучения находится вблизи края фотонной запрещенной зоны, можно достичь низкого значения групповой скорости лазерного импульса, что приведет к усилению локального поля (рисунок 15, в) и, следовательно, к повышению эффективности многих нелинейно-оптических процессов. Также были рассчитаны величины для таких структур. Спектр k₂ приведен на рисунке 15, г. Полученные высокие значения k₂ означают, что управление фазой и компрессия короткого светового импульса могут осуществляться на сравнительно небольшом расстоянии, что позволяет создать на основе ПК компактные оптические компрессоры и иные устройства для фазово-модулированных импульсов.

Рисунок 15 - а) Спектры отражения многослойной структуры на основе ПК, б) спектры действительной и мнимой частей эффективного показателя преломления для такой структуры; штриховая линия соответствует показателю преломления ламинарной структуры, в) величина u = д ω / дК, нормированная на скорость света, г) величина k₂ в одномерном фотонном кристалле на основе пористого кремния

Заключение

) Проведено исследование влияния структурных характеристик пористых полупроводников и диэлектриков на их оптические линейные и нелинейные свойства, обуславливающие весь спектр применения пористых полупроводников в оптоэлектронике и микроэлектронике.

) В дипломной работе был проанализирован способ формирования пористых полупроводников методом электрохимического травления на примере пористого кремния. В результате чего были выявлены основные факторы, воздействующие на структуру пористого кремния при его формировании.

) Анализ способа получения пористых полупроводников показал, что на их основе можно успешно формировать фотонно-кристалические системы. Особенностью таких систем является возможность заполнения имеющихся у них пор различными средами, что приводит к изменению эффективных фотонных свойств пористых полупроводников.

) Проведенные исследования по генерация гармоник в многослойных периодических структурах на основе как микро-, так и макропористого кремния показали возможность управления эффективностью генерации гармоник в таких структурах путем изменения как величины периода структуры, так и угла падения излучения на структуру.

) Анализ показал, что легкость управления свойствами пористого материала, совместимость с технологическими операциями кремниевой микроэлектроники позволяют создавать светоизлучающие диоды, фотоприемники и световоды, которые в одной твердотельной схеме могут быть объединены в единый комплекс излучатель - оптическая среда передачи информации - приемник.