Влияние микро- и наноструктурирования на оптические свойства кремниевых слоев (1102591), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Диссертация состоит из введения, пятиглав, заключения и основных выводов, списка цитируемой литературы,содержащей 122 наименования. Общий объем работы составляет 149 страницмашинописного текста, включая 80 рисунков и 4 таблицы.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации,поставлены задачи исследований, дан анализ научной новизны полученныхрезультатов и их практической ценности, приведены положения, выносимые назащиту, а также представлен перечень конференций, в рамках которыхпроходила апробация работы, и список публикаций.Первая глава является обзором литературы и посвящена изложениюосновных методов формирования щелевых кремниевых микроструктур, а такжеимеющихся в научной литературе данных по оптическим свойствам ЩКС и8ПК.
В разделе 1.1 обсуждаются основные методы формирования ЩКС, такиекак анизотропное жидкостное химическое и реактивное ионное травление,позволяющиеполучатьполупроводниковыеструктурымикронногоисубмикронного размеров. В разделе 1.2 содержится информация об оптическихсвойствах ЩКС.
Делается вывод, что в дальнем ИК диапазоне спектра ЩКСпредставляют собой одноосный двулучепреломляющий кристалл с оптическойосью, направленной перпендикулярно кремниевым стенкам. Наблюдаемаяанизотропия оптических свойств ЩКС является проявлением явлениядвулучепреломления формы [10]. Ранее в ЩКС с субмикронным периодом былобнаружен значительный рост интенсивности КРС, однако причины данногоэффекта не были окончательно установлены [11]. В целом, имеющиесялитературныеданныесвидетельствуютовозможностизначительноймодификации оптических свойств микронных и субмикронных слоистыхструктур по сравнению с c-Si.
Раздел 1.3 посвящен описанию оптическихсвойств одномерных слоистых кремниевых структур. Показано, что ЩКС, атакже периодические многослойные структуры на основе ПК, обладаютсвойствамиФКсвысокимоптическимкачеством.Вразделе1.4рассматриваются ФЛ свойства субмикронных структур и наноструктур наоснове c-Si. Как следует из литературных данных, для кремниевыхнаноструктур с характерными размерами менее 10 нм может наблюдаться ФЛ ввидимом диапазоне спектра, котораяобусловлена проявлением квантоворазмерного эффекта. В разделе 1.5сформулированы выводы из обзоралитературы и поставлены задачиисследования.Во второй главе приведеныданные об исследуемых образцах,описаны методики экспериментов, атакже изложены модели, в рамкахРис. 1.
Изображение в сканирующемэлектронном микроскопе образца ЩКС,полученного методом глубокого реактивногоионного травления.9которых проводился анализ полученных экспериментальных данных. Вразделе2.1анизотропногорассмотренаметодикаформированияхимическоготравлениявраствореЩКСКОНиметодамиглубокогореактивного ионного травления в плазме SF6 (см. рис. 1).
Параметры подложек,используемых для формирования ЩКС, а также структурные характеристикиисследованных образцов, приведены в Таблице 1.Таблица 1. Структурные параметры образцов ЩКС.ПодложкаПериодструктурыА, мкмТолщинакремниевойстенки dSi,мкмТолщинащели dair,мкмПористостьp, %Глубинащелей h,мкмАнизотропное жидкостное химическое травлениеc-Si:B(ρ=1-10 Ом·см)4–71 – 4.71.3 – 5.432 – 7715 – 60c-Si:B(ρ=25-45 мОм·см)4–72 – 4.71.3 – 4.432 – 6365 – 80c-Si:As(ρ=1-10 мОм·см)4–72 – 2.62 – 4.450 – 637066 – 7220Глубокое реактивное ионное травлениеc-Si:As(ρ=10 Ом·см)8 – 242.3 – 75.7 – 17В разделе 2.2 изложена методика изготовления многослойных кремниевыхструктурнаосновеПК,которыеформировалисьпосредствомэлектрохимического травления подложки c-Si:B c удельным сопротивлением10–20 мОм·см в электролите на основе плавиковой кислоты (HF 48 %) сэтанолом (C2H5OH), взятых в соотношении 1:1.
При этом в процессе травленияпроисходило периодическое изменение плотности тока травления дляформирования многослойной структуры с периодическим чередованием слоевразличной пористости. Структурные параметры и обозначения исследованныхмногослойных структур на основе ПК приведены в Таблице 2. В разделе 2.3рассматривается процесс наноструктурирования ЩКС.
Для изготовленияобразцов было использовано химическое травление, которое происходило всмесиазотной(HNO3 70%),плавиковой10(HF 48%)иуксуснойТаблица 2. Параметры образцов многослойных структур на основе ПК.ОбразецГеометрияэкспериментаФК-1отражениеФК-2отражениеФК-3пропусканиеПлотноститоковтравления,мА/см²j1=10j2=40j1=10j2=40j1=20j2=30(СH3COOH 99.8%) кислот.ПоказателипреломленияслоёвТолщиныслоев, нмn1 = 2.53n2 = 2.32n1 = 2.53n2 = 2.32n1 = 2.49n2 = 2.39d1 = 100d2 = 110d1 = 96d2 = 110d1 = 96d2 = 114ПередКоличеЦентр ФЗЗ,ство парсм-1 (мкм)слоев158495(1.177)1510000 (1)309780(1.022)травлением образцыпредварительноокислялись в течение 15 минут в растворе серной кислоты (H2SO4 95%) идистиллированной воды (H2O), взятых в соотношении 1:1. Время травлениясоставляло от 0.5 до 3 минут.
В результате получались структуры с пористымслоем на поверхности, который имел толщину 40 – 120 нм. В разделе 2.4изложена методика измерений спектров КРС при возбуждении образцовлазерным излучением с длинами волн 0.488, 0.633 и 1.064 мкм. В разделе 2.5описана методика измерения спектров пропускания (отражения) исследуемыхобразцов методами поляризационно-чувствительной ИК спектроскопии.
Расчетпоказателейпреломленияобразцовосуществлялсяпутеманализаинтерференционной картины спектров пропускания (отражения) с учетомпорядка интерференционного максимума по формуле: 2d n m , где m –целое число, d – толщина щелевого слоя. В разделе 2.6 рассмотрена методикаизмерения спектров ФЛ для исследуемых образцов. В качестве источниковвозбуждающего излучения использовались: 1) импульсный N2-лазер (энергияквантов hν = 3.7 эВ); 2) непрерывный Ar+ лазер (энергия квантов hν = 2.55 эВ);3) непрерывный Nd:YAG лазер (энергия квантов hν = 1.17 эВ). В разделе 2.7описан метод измерения спектров ЭПР для образцов ЩКС. Измеренияпроводились на ЭПР–спектрометре BRUKER ELEXSYS 500 (рабочая частота9.5 ГГц - X-диапазон, чувствительность 51010 спин/Гс).
В разделе 2.8 приведенметод характеристических матриц, используемый для расчета спектровпропускания (отражения) многослойных структур на основе ПК. Дано11обоснование использования данного метода, а также приведены рамки егоприменимости. В разделе 2.9 изложены основные подходы для расчетаоптических характеристик ЩКС и показана обоснованность применениямоделиэффективнойсредыимоделиДруде-Лоренца,описывающейвзаимодействие свободных носителей заряда со светом. Также представленырезультаты расчета дисперсии эффективных показателей преломления икоэффициентов поглощения ЩКС в дальнем ИК диапазоне спектра с учетомвлиянияСНЗ.Помимоэтого,рассмотреноизменениевеличиныдвулучепреломления ЩКС при изменении пористости структуры для ЩКС сразличной концентрацией СНЗ.ТретьяглавапосвященаисследованиюКРСвкремниевыхмикроструктурах.
В разделе 3.1 представлены экспериментальные данные и ихтеоретический анализ для КРС в многослойных структурах на основе ПК. Врамках квазистатического приближения, когда потери на поглощение невелики,величина интенсивности КРС определяется дисперсией линейных оптическиххарактеристик структуры [6]: effI R ( ) ~2,(1)где χeff = (n2eff -1)/4π – эффективная диэлектрическая проницаемость структуры,neff – эффективный показатель преломления структуры.Величинаэффективногопоказателяпреломлениямногослойнойструктуры на основе ПК является в общем случае комплексной величиной ипретерпевает сильные изменения на краю ФЗЗ.
Действительная часть neffопределяется следующим выражением [12]:Re neff 2 L,(2)где Δφ – разность фаз падающей на структуру и прошедшей через нее волн, λ –длина волны света, L – толщина многослойной структуры.В работе установлено, что полученные образцы многослойных структурна основе ПК обладали свойствами ФК, спектр отражения которых хорошо12теоретическойзависимостью,1.0рассчитаннойпосредствомметодахарактеристическихПосколькуматриц.эффективнаядиэлектрическаяпроницаемостьФКрезкоIS, отн.
ед.описывается0.80.60.40.2изменяется на границах ФЗЗ,тоярко0выраженныемаксимумы, соответствующие5101520Угол падения, градус∂χeff(ν)/∂νзависимостьимеетРис. 2. Зависимость интенсивности стоксовойкомпоненты КРС для образца ФК-1 от угла паденияизлучения накачки. На вставке изображенагеометрия эксперимента.границам ФЗЗ.
Посредствомизменения угла падения излучения на образец в работе осуществлялось плавноеизменение функции χeff(ν), что приводило к изменению эффективности КРС начастоте 520.5 см-1, соответствующей рассеянию на TO-фононах в c-Si (см. рис.2). Установлено, что максимум интенсивности КРС достигался при углепадения, соответствующем максимальному значению величины |∂χeff(ν)/∂ν|, чтов соответствии с соотношениемприводилокростуинтенсивности сигнала КРС.Вразделепредставленыисследования3.2результатыКРСполученныхвЩКС,различнымиметодами. Обнаружено, что вобразцахЩКСмногократноенаблюдаетсяИнтенсивность, отн.
ед.(1)1.00.80.60.40.2сравнению с подложкой c-Si(см. рис. 3). Было проведеноx100.0-530увеличениеинтенсивности сигнала КРС по- ЩКС- c-Si-520-510510520530-1, смРис. 3. Спектры КРС ЩКС, полученной методоманизотропногожидкостногохимическоготравления, и подложки c-Si при возбужденииизлучением с λ = 1.064 мкм.13исследование КРС в ЩКС при возбуждении как видимым светом (λ = 0.488мкм, 0.632 мкм), так и при возбуждении ИК излучением (λ = 1.064 мкм). ДляЩКС, полученных методом жидкостного химического травления, привозбуждении видимым светом, наблюдался относительно слабый (~ 25 %) ростинтенсивности сигнала КРС по сравнению с подложкой c-Si.
Тогда как дляобразцов, полученных методом реактивного ионного травления, имело местоувеличение интенсивности сигнала КРС примерно в 4 раза. Такое различиеможно объяснить наличием в ЩКС, полученных методом жидкостногохимического травления, периодически расположенных широких (~20 мкм)непротравленных полос c-Si.
Для ЩКС, полученных методом ионноготравления, при возбуждении видимым светом наблюдается линейный ростинтенсивностистоксовойкомпонентыКРСсуменьшениемтолщиныкремниевой стенки. Такое изменение интенсивности стоксовой компонентыможнообъяснитьувеличениемэффективногообъемасреды,взаимодействующего с излучением, при уменьшении толщины кремниевойстенки.При возбуждении ИК излучением усиление сигнала КРС в ЩКС посравнению с подложкой c-Si оказывается практически одинаковым дляобразцов, изготовленных различными методами.
Для исследуемых структурнаблюдается многократный (~ 8 раз) рост интенсивности линий КРС посравнению с подложкой c-Si, который обусловлен эффектами слабойлокализации излучения в кремниевых стенках, в результате чего происходитувеличение объемавещества, взаимодействующего с излучением накачки.Помимо этого, в ЩКС наблюдается анизотропия сигнала КРС при возбужденииизлучением с поляризацией параллельной и перпендикулярной кремниевымслоям в образцах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
