Диссертация (1150634), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Очищающий газ (обычно азот или аргон) используется после каждогоимпульса исходного продукта для удаления остаточного прекурсора из реактора ипредотвращения «паразитных» химических реакций на подложке.Мы делаем на поверхности GaAs гетероструктуры стопку из двух масок,маски из диоксид кремния (SiO2) и маски из резиста. Высокое качество маски SiO2обеспечивается использованием АСО. Она используется в процессе травленияGaAs в качестве основной маски. Вторичная маска (из электронного резиста)используется для формирования основной маски.Рисунок 23 - Маска из SiO2, покрытая негативным резистом nLOF, маскасформирована с использованием установки АСО.Используятехнологиюпредставленнуювышемыизготовилимассивдисковых/кольцевых микрорезонаторов различного размера с различнымивнутренними диаметрами.704.3.4Реактивное ионное травлениеМетод сухого реактивного ионного травления (РИТ) основан на травленииматериалов под воздействием плазмы газового разряда [109,110].
Преимуществомэтого метода по сравнению с влажным химическим травлением является высокаяанизотропия и отсутствие необходимости в удалении продуктов реакции споверхности.Мы проводили ионное травление SiO2 при помощи установки Plasmalab 80(Oxford Plasma), которая является реактивной системой ионного травления скамерой загрузки и блоком для создания индуктивно связанной плазмы (ICP), чтопозволяет повысить плотность ионов в этом процессе.
Для травления SiO 2 мыиспользовали стандартные параметры: CHF3 = 12 SCCM, Ar = 38 SCCM, давление= 45 мТорр, мощность = 220 Вт. Для травления GaAs мы использовали химическоетравление на основе SiCl4 / Ar и ICP-RIE. Параметры травления: мощность: 60 Вт,давление: 3mTorr, температура подложки -50С, (травление проводили при низкихтемпературах).Процесс изготовления начинается с АСО слоя SiO2, который используется вкачестве основной маски в процессе травления полупроводника. Затем слой SiO2покрывается электронным резистом и проводится ЭЛЛ с целью созданияструктуры.
Далее шаблон на электронном резисте переносится на основную маскус помощью плазменного травления (Рисунок. 24а). Затем травление GaAsструктуры проводится в индуктивно связанной плазме, результат чего можновидеть на Рисунок 10b. На данном рисунке можно отчётливо видеть чередованиеслоев гетероструктуры, а также остатки маски на поверхности.71Рисунок 24 - (а) СЭМ-изображение SiO2 маски до травления GaAs и (б) послетравления GaAs в SiCl4/Ar плазме.4.4Измерение микрофотолюминисценцииВ ходе оптического эксперимента, мы проводили фотовозбуждение дисковыхмикрорезонаторов с квантовыми точками через объектив микроскопа Olympus 100с использованием второй гармоники YAG: Nd-лазера на длине волны 532 нм смощностью пучка 10 - 200mW.
Фотоны, излучаемые квантовыми точками,пропускаются через монохроматор Horiba FHR1000 и собираются помощьюфотообъектива и ПЗС-матрицы (Horiba Symphony).Спектр микро-фотолюминесценции и «light-in-light-out" характеристика полученыприоптическойЭкспериментальныенакачкеприспектрыкомнатнойи100фотолюминесценцииС0температурах.микрорезонаторовпредставлены на Рисунок 25а. Спектры показывают спонтанное излучениеквантовых точек с острыми резонансами МШГ при малых накачках. Пороглазерной генерации определяется при измерении зависимости интенсивности модот мощности возбуждения.
Высота резонанса и его полная ширина на половинемаксимума (FWHM) как функции оптической мощности накачки представлены наРисунок 25b, это показывает порог лазерной генерации при мощности накачкиоколо 5 мкВт. На пороге генерации интенсивность соответствующей моды сильно72возрастает, что указывает на переход от спонтанного излучения к лазернойгенерации.Рисунок 25 - (a) Спектр микрофотолюминисценции микродиска, накачкаоптическая 1 мкВт (синий), 6 мкВт (красный) и 25 мкВт (зеленый); (b)интенсивность и полуширина моды TE12,1 в зависимости от мощности накачки[A5].4.5Пороговые характеристики микролазеровИзмеренные спектры фотолюминесценции показывают критическое влияниевнутреннего диаметра кольца микрорезонатора на пороговые характеристики.Ниже представлены результаты исследования лазерной генерации при комнатнойтемпературе в кольцевых микрорезонаторах с квантовыми точками с наружнымдиаметром от 1,5 до 2 мкм и различными внутренними диаметрами.73Рисунок26-Массивмикрокольцевыхрезонаторов,изготовленныхпопредставленной в пункте 4.3 методике.Рисунок 27 - Пороговое значение мощности накачки в зависимости от внутреннегодиаметра кольцевого резонатора [A5].Результаты измерений, показанные на Рисунке 27, позволяют сделать вывод,что зависимость порога генерации от внутреннего диаметра кольца являетсянемонотонной.
В частности, при увеличении внутреннего диаметра кольца до 0,874мкм порог генерации снижается за счет уменьшения объема активной области.Однако дальнейшее утончение кольца приводит к увеличению порога лазернойгенерации. Это можно объяснить увеличением безызлучательной рекомбинации навнутренних стенках, см. Рисунок 27.4.6Температурная зависимостьКогда размер наноструктуры сравним с длиной волны де Бройля электрона, имеетместо квантование уровней энергии [111, 112]. Как было отмечено в главе 1, КТобладают лучшей по сравнению с квантовой ямой (КЯ) температурнойстабильностью за счет локализации носителей заряда.
В отличие от КЯ,излучательная рекомбинация в КТ не зависит от температуры. Вероятностьрекомбинации электронов и дырок (ЭДР) значительно выше, когда онилокализованы в малой области (см. Рисунок 28).Рисунок 28 - Траектория движения носителя заряда для (а) массивногополупроводника (b) квантовой ямы (с) массива квантовых точек. (d-е) плотностьэлектронных состояний для этих структур.75Порог генерации и спектры фотолюминесценции кольцевых микрорезонаторовпри температурах 20 0С и 100 0С, показаны на Рисунок 29.
При комнатнойтемпературе спектральное положение моды TE12,1 близко к основному переходу(GS), см. Рисунок 29 (b), и порог генерации является низким. При повышениитемпературы положение GS смещается в сторону больших длин волн, то есть имеетместо расстройка резонанса МШГ и излучательного перехода GS, следовательнопорог генерации возрастает. В диапазоне 40-80 0C нет генерации на моде TE12,1.Однако после достижения 80 0С мода TE12,1 идеально соответствует переходу ES1,и снова имеет место низкий порог генерации. Порог генерации для TE12,1 модывозрастает с увеличением отстройки, однако мода TE11,1 смещается ближе кпереходу GS и хорошо совпадает с ним при 80 0С, что соответствует более низкомупорогу генерации, см.
Рисунок 29 (а).Рисунок 29 - (а) Пороговая мощность накачки в зависимости от температуры дляTE12,1(синиеквадраты)иTE11,1(красныекружки)мод.(b)спектрыфотолюминесценции при температуре 20 0С (черный) и 100 0C (красный) [А5].764.7Применение реактивного ионного травления для пендеоэпитаксииМетод пендеоэпитаксии состоит из следующих последовательных операций. Напервом этапе синтеза на слой чужеродной подложки наносят тонкий слойматериала пленки. Затем каким-либо методами создают пустоты («колодцы») вэтом материале. Таким образом, формируются «столбы» материала.
Затем наверхушках этих столбов происходит латеральный рост пленки. Слои пленки ссоседнихстолбиковсоединяютсямеждусобойсобразованиемгомоэпитаксиального слоя, покрывающего и столбики и пустоты между ними.Как известно, карбид кремния является хорошим буферным слоем для ростанитрида алюминия (AlN). Однако, на кремниевых подложках, в основном, растеткубический, а не гексагональный SiC [113], что приводит к возникновениюнапряжений в пленке AlN. Более того, при охлаждении кремниевой подложки сослоем пленки от температуры роста до комнатной температуры в пленке возникаютбольшие термические деформации, приводящие к значительным упругимнапряжениям.
Это приводит к образованию дислокаций на межфазной границе идаже к растрескиванию пленки.Именно структурирование поверхности SiC при помощи вытравливаниячасти пленки SiC и создание колодцев, глубина которых не превышает толщинуслоя SiC, чтобы не “оголилась” кремниевая подложка позволяет решить проблемуостаточных термических напряжений. Этот метод также дает возможность решитьдругую важную проблему - подавить влияние флуктуаций термическихнапряжений и напряжений, вызванных ростовыми процессами, которые, какнедавно показано в работах [114-116], всегда имеют место в процессе роста пленоки приводят к нарушению соотношению между компонентами V/III, из которыхрастет пленка на подложке, Этот процесс, в свою очередь, ведет к образованию Vдефектов на поверхности пленки и ее столбчатому росту. Нарушение подобногосоотношения особенно сильно проявляется при росте пленок AlN. В данном случаегетероэпитаксиальное зарождение слоя AlN происходит и на столбиках nano-SiC,77и во впадинах.
Если расстояние между столбиками таково, что латеральный ростслоя происходит быстрее, чем его рост вдоль нормали к поверхности подложки, тообразуется практически ненапряженная эпитаксиальная структура [A7].(a)(b)(c)Рисунок 30 - Процесс роста AlN на структурированной поверхности подложкиSiC/Si. (a) начальный этап роста пленки, на котором образуется текстура AlN вколодцах и начинается латеральное зарастание столбиков и зарастание пор; (b)образование сплошной пленки AlN до критической толщины, при которойподложка еще оказывает влияние на рост пленки; (c) свободный рост слоя AlN напленке из собственного материала.
[A7].78Методика модификации поверхности пленки SiC состоит в следующем. Наповерхность пленки SiC методом электрон-ионного осаждения (бомбардировкаметаллической мишени пучком заряженных частиц) наносится тонкий слой хрома.Далее наносится позитивный электронный резист ZEP 7000-22 (Zeon Corporation)[117], c последующей электронно-лучевой литографией и индуктивно связаннымплазменным травлением хрома через маску резиста в Cl/O2 плазме [110]. Этопозволяет создать маску в виде двумерного массива квадратов со стороной 200 nmи периодом 400 nm. Следующей операцией является формирование колодцев в слоеSiC.
Они были сформированы методом реактивного ионного травления вSF6/Ar/O2 плазме, с использованием, полученной хромовой маски.Диаметрколодцев составлял ~200 nm. Колодцы формировались таким образом, чтобы ихглубины не превышали толщины пленки SiC, т.е., чтобы кремний под слоем SiC“не оголялся” (Рисунок 31). После формирования колодцев остатки маски хромаудаляются с поверхности SiC жидким травителем.Рисунок 31. SEM изображение профилированной поверхности SiC-Si(111).Далее на части поверхности пленки SiC, содержащей колодцы, и на частипленки SiC, которая не подверглась травлению и оставалась гладкой, методом79хлорид-гидридной эпитаксии (HVPE) в одном процессе выращивались слоинитрида алюминия.
Параметры процесса роста методом HVPE были ранееспециально разработаны для роста пленок AlN на поверхности Si, покрытой слоемнано-SiC [113]. Температура роста AlN составляла 1080 0С, соотношение потоковH2/NH3 = 5:1. Выращивались слои AlN толщиной ~ 20 µm.Благодаря разработанной методике модификации пленки SiC впервые былипроведены эксперименты по росту AlN методом пендеоэпитаксии на подложке Siс буферным слоем нано-SiC, синтезированным новым методом замещения Si наSiC [113].Пленки AlN, выращенные как на структурированной поверхности SiC/Si,покрытой колодцами, так и на гладкой поверхности были исследованы методамиэлектронографиинаотражение(RHEED),рентгенографии,растровоймикроскопии и методом Рамановской спектроскопии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
