Оптические свойства анизотропных кремниевых структур, страница 3

Зависимости показателей преломления дляобыкновенной и необыкновенной волн (а),величина двулучепреломления (б) и степенианизотропии формы (с) от пористости мезо-ПК.Кривые проведены для наглядности.13егоНаблюдаемый рост значенийпоказателей55эллипсоида,придо 0.6 мкм (см. рис. 3) хорошообъясняется ростом величиныε1 в соответствии с известнымзаконом нормальной дисперсии для нелегированного с-Si [12].В области минимальной дисперсии (λ=3–5 мкм) были измеренызависимости показателей преломления и двулучепреломления мезо-ПК отстепени его пористости (рис. 4 а,б).

Из этих данных по формулам (1) и (2) былирассчитаны отношения a / cпористостимезо-ПКпоказателейпреломления(рис. 4в). Установлено, что с увеличениемпроисходитуменьшение(рис. 4 а),ноабсолютныхвеличиназначенийдвулучепреломлениявозрастает (рис. 4 б). Последнее обусловлено ростом степени анизотропииформы нанокристаллов кремния и пор (рис.

4 в).В разделе 4.2 представлены результаты исследования влияния свободныхносителей заряда (дырок) на оптические свойства мезо-ПК в среднем и дальнемИК диапазонах спектра. Учитывая, что характерные размеры кремниевыхнанокристаллов в изучаемых слоях мезо-ПК превышают 10 нм, длярассмотрения такого влияния была использована классическая модель Друде,согласно которой диэлектрическая проницаемость нанокристаллов может бытьзаписана в виде:ε1( ω ) = ε ∞ −ν2pν 2 + i ⋅ g ⋅ν,(3)где νp – плазменная частота,λ, м км4100 20 103 .0no2 .5ne1 .4 22N = 3 ∗1019см-3дырок, g – фактор затухания,on , ne2 .01 .51 .087654321100N = 1∗1020смопределяемая концентрациейобратнопропорциональныйвременирассеянияквазиимпульсаносителей-3заряда. На рис. 5 показаны1000200030004000ν, см500060007000-1Рис.5.Спектрыпоказателейпреломленияобыкновенной no и необыкновенной ne волны вмезо-ПК с пористостью 70% при разнойконцентрации свободных дырок.

Линиями данырассчитанные по формулам (1)-(3) зависимости.14спектрыпреломления,показателейопределенныеиз спектров пропускания дляобразцов мезо-ПК с различнойконцентрацией свободных дырокПоследняявеличинаопределяласьизспектровкоэффициентапоглощениясоответствиисвIS , отн.ед.N.методикой,10.50.3изложенной в работе [7].

Длядисперсионных0.1зависимостей0.7 1018характерна область аномальнойдисперсии, которая обусловленапоглощением света свободнымидырками, а также область, в0.2-3N , cм0.51910Рис.6. Зависимость интенсивности стоксовойкомпоненты КРС в мезо-ПК от конуцентрациисвободных дырок. Длина волны возбуждения1.06 мкм. Линия показывает линейнуюзависимость.которой показатель преломления необыкновенной волны больше, чемобыкновенной. То есть, может иметь место изменение знака величиныдвулучепреломления. Как видно из рис.

5, экспериментальные спектры хорошоописываются расчетными кривыми, полученными с использованием моделейБруггемана и Друде.В разделе 4.3 представлены результаты измерения КРС в слоях мезо-ПК.Показано, что в мезо-ПК происходит модификация тензора комбинационногорассеяния света. Влияние свободных носителей заряда на КРС в мезо-ПК(эффектФано)приводиткпрактическилинейномууменьшениюинтенсивности стоксовой компоненты КРС с увеличением концентрации дырокс 1018 до 1019 см-3 (см.

рис.6). Это позволяет использовать метод КРС в качествеоптического метода для определения концентрации свободных носителейзаряда в мезо-ПК.В пятой главе рассмотрены линейные оптические свойства ЩКС вшироком спектральном диапазоне 1 – 1250 мкм, а также приведены результатыисследования их методом КРС.В разделе 5.1 представлены поляризационные измерения спектровпропускания ЩКС, измеренные в диапазоне 1 – 1250 мкм.

Дано объяснениеизменения оптических свойств ЩКС в разных спектральных диапазонах. Из152.5no , neэкспериментальныхno2.0спектрами1.51.0аппроксимацииd=7 мкмne∆nприближения эффективной среды∆n = 0.77и100200пропускания,рассчитанными с использованием0.50.0данных300-1400500600υ, смформулФренеля,полученыспектрыреальнойчастейбылимнимойиэффективнойРис.7. Спектры показателей преломления дляобыкновенной и необыкновенной волн ивеличины двулучепреломления в ЩКС (период 7мкм) в диапазоне 20 – 600 см-1. Линиями показанырасчетные значения.диэлектрической функции ЩКС ирассчитанныепоказателейспектрыэффективныхзначенийпоказателейэффективныхпреломления.Нарис.7 представлены измеренные ипреломленияидвулучепреломления в ЩКС.

Видно, что ЩКС характеризуются значительнымдвулучепреломлением(∆n = 0.77).Хорошеесогласиерасчетныхиэкспериментальных данных позволяет заключить, что оптические свойстваЩКС в дальнем ИК диапазоне спектра могут быть хорошо описаны в рамкахэлектростатического приближения эффективной среды Бруггемана. Отклонениемодели от экспериментальных данных на низких частотах могут быть связаныкак с ростом влияния свободных носителей заряда, так и с особенностямиструктуры реальных образцов ЩКС.В разделе 5.2 анализируется влияние фотовозбужденных носителейзаряда на оптическое пропускание ЩКС в субмиллиметровом диапазонеспектра (1–20 см-1).

Показано, что при возбуждении образцов лазернымизлучением с длиной волны 532 нм и интенсивностью порядка 0.1 Вт/см2 дляобыкновенной волны наблюдается уменьшение пропускания на 1 – 2%, в товремя как для необыкновенной волны изменений пропускания не наблюдалось.Полученные результаты хорошо объясняются формулами (1)–(3), расчет покоторым подтверждает, что рост концентрации свободных носителей заряда с1014 см-3 до 1017 см-3 может приводить к наблюдаемым изменениям16пропускания. Результаты расчетов также показывают, что данное уменьшениепропускания ЩКС обусловлено именно ростом поглощения, а не плазменнымотражением.В разделе 5.3 представлены результаты исследования ЩКС методомКРС.

Показано, что при длине волны возбуждающего света 1.06 мкмнаблюдается65IS , отн. ед.усилениеc-SiЩКСмногократноестоксовойрассеяниякомпоненты(см. рис. 8),что4связывается с эффектами частичной3локализациипадающегои2рассеянногоизлученийв10500510520530540-1υ , смкремниевыхстенках,выполняютрольПоляризационныеРис.8. КРС для ЩКС и подложки c-Si привозбуждении циркулярно поляризованнымсветом с длиной волны 1.06 мкм.которыеволноводов.характеристикиКРС в ЩКС носят изотропныйхарактер, что может быть объясненодеполяризацией излучения в процессе его многократного отражения вкремниевых стенках. Проведенные измерения КРС в ЩКС при возбужденииизлучением с длинами волн 0.514 и 0.633 мкм не обнаруживают заметногоусиления сигнала КРС.

В то же время, поляризационные измерения КРС вЩКС на данных длинах волн показывают заметную анизотропию рассеяния внаправлении вдоль кремниевых стенок.ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫВработебылимезопористогоизученыкремния,оптическиесвойствасформированныханизотропныхметодомпленокэлектрохимическоготравления сильно легированного бором пластин c-Si, и щелевых кремниевыхмикроструктур, сформированных в результатеанизотропного химическоготравления нелегированных кремниевых подложек, и выявлены основныезакономерности влияния анизотропии формы составляющих исследуемые17образцы структурных элементов и концентрации свободных носителей зарядана эффективные показатели преломления, двулучепреломление и дихроизм втаких системах. Были получены следующие основные результаты.1.Измерены спектры показателей преломления пленок анизотропныхмезопористогокремнияивыполненихтеоретическийанализ,показывающий, что экспериментальные результаты для спектральногодиапазона 0.6 – 6 мкм могут быть описаны в рамках электростатическогоприближения в модели эффективной среды, учитывающей анизотропиюформы кремниевых нанокристаллов и пор, составляющих исследуемыеобразцы, а также материальную дисперсию кремниевых нанокристаллов.2.Установлено,чтоприувеличениистепенипористостипленокмезопористого кремния с 55 % до 85 % величина двулучепреломления,определяемая как разность значений показателей преломления дляобыкновенной и необыкновенных волн, в среднем ИК диапазоне спектрапри нормальном падении увеличивается с 0.08 до 0.2, что объясняетсяростом анизотропии формы нанокристаллов и пор.3.В ИК диапазоне спектра 5 – 50 мкм обнаружена аномальная дисперсияпоказателей преломления мезопористого кремния и дано объяснениеполученных экспериментальных результатов в рамках приближенияэффективной среды с учетом влияния свободных равновесных носителейзаряда (дырок) с концентрацией более 1019 см-3.

Установлено, что притаких концентрациях свободных носителей заряда также существенноизменяется величина двулучепреломления, включая изменение ее знака.4.Предложен и реализован новый бесконтактный метод определенияконцентрации свободных носителей заряда в пленках мезопористогокремния в диапазоне 1017–1019 см-3, основанный на влиянии свободныхносителей заряда на интенсивность комбинационного рассеяния света –эффекте Фано.5.Исследованы оптические свойства щелевых кремниевых структурвширокой спектральной области 1–1250 мкм и обнаружено, что данные18структурыобладаютзначительнойвеличинойдвулучепреломления,которая может достигать значений 0.77 в дальнем ИК диапазоне спектра,что находится в хорошем согласии с расчетами, выполненными в рамкахприближения эффективной среды.6.Обнаруженомногократноеувеличениеинтенсивностистоксовойкомпоненты комбинационного рассеяния света в щелевых кремниевыхструктурах по сравнению с подложкой c-Si при возбуждении светом сдлиной волны 1.06 мкм, близкой к толщинам кремниевых стенок, и данообъяснение данного эффекта на основе представлений о частичнойлокализации света в кремниевых стенках, выполняющих роль волноводовдля падающего и рассеянного оптического излучения.Цитируемая литература1.

D. Kovalev, G. Polisski, J. Diener, H. Heckler, N. Künzner, V.Yu.Timoshenko, F. Koch // Appl. Phys. Lett., 2001, v. 78, № 24, pp. 916–918.2. N. Künzner, D. Kovalev, J. Diener, E. Gross, V.Yu. Timoshenko, G. Polisski,F. Koch, M. Fujii // Opt. Lett., 2001, v. 26, pp. 1265–1268.3. E.В. Астрова, T.S. Perova, В.А. Толмачев, А.Д. Ременюк, J. Vij, A. Moore //ФТП, 2003, т. 37, с. 417–421.4. М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики, 1973, М.: Наука, 651 с.5. A.G. Cullis, L.T. Canham, P.D.G. Calcott // J. Appl. Phys, 1997, v. 82,pp.