Диссертация (1150634), страница 9

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 9)

Это явление может быть описано в терминахэффективного тензора диэлектрической проницаемости среды [95]:(3) ij ( )  1  ij(1) ( )  ijkl(; , ,  ) Ek (r ,  ) El (r , ) .(3.15)59Когда линейно поляризованная интенсивная световая волна распространяется визотропной среде, показатель преломления n и коэффициент поглощения зависят от интенсивности и могут быть представлены в следующем виде:n  n0  n2 I  0  2I(3.16)где I - интенсивность света, а n0 , n2 - линейный и нелинейный показателипреломления и  0 ,  2 - линейный и нелинейный коэффициенты поглощения,соответственно.

Они могут быть представлены в терминах компонент тензоранелинейной восприимчивости, которая зависит от механизма оптическойнелинейности. Если механизм насыщения доминирует, то нелинейное поглощениеобычно описывается в терминах интенсивности насыщения и задается следующимвыражением [95]:0  n где и  n ,  s и I 0 -s,1  I I0(3.17)ненасыщающаяся и насыщающаяся части линейногокоэффициента поглощения и интенсивность насыщения, соответственно.

Этотмеханизм доминирует вблизи экситонного резонанса в полупроводниках иподробно описан в главе 5.604Дисковые микрорезонаторы с квантовыми точкамиВ этой главе представлены результаты исследования полупроводниковыхдисковых и кольцевых микрорезонаторах и лазеров на модах шепчущей галереи(МШГ) в этих резонаторах. Это включает описание методики изготовления иэкспериментальныерезультатыпомикро-фотолюминисценцииGaAsмикрорезонаторов, содержащих InAs квантовые точки. В частности, атомнослоевое осаждение (АСО), электронно-лучевая литография (ЭЛЛ) и техникаплазменного травления были использованы для изготовления кольцевыхмикрорезонаторов на основе полупроводниковых структур с квантовыми точками.Разработанная технология позволила изготовить и добиться лазерной генерации вдисковых резонаторах ультрамалого диаметра.4.1Мода шепчущей галереиТермин "шепчущей галереи" был придуман лордом Рэлеем в 1910 году, когда онобнаружил, что в круглой полости под куполом собора Святого Павла, показаннойна Рисунке 17(а), звук может распространяться на большие расстояния за счет того,что испытывает многократное полное внутреннее отражение [97].

Подобноеявление можно наблюдать для электромагнитных волн [98-101], которые могутраспространяться вдоль цилиндрической или сферической поверхности с оченьнизкой скоростью диссипации. Из этого следует, что такие поверхности могут бытьиспользованыдобротностью.вкачествеэлектромагнитныхрезонаторовсгигантской61Рисунок 17 - (а) Фото купола собора Святого Павла, (b) Диэлектрический диск,окруженныйдругимматериаломсменьшимпоказателемпреломления,http://www.explore-stpauls.net/oct03/textMM/DomeConstructionN.htm.Световой луч испытывает полное внутреннее отражение (ПВО) на границе разделадвух сред, когда показатель преломления первого материала выше, чем показательпреломления второго. Условия ПВО следует из закона Снеллиуса, если уголпадения inc , удовлетворяют условию  c  inc , где c  arcsin  n1 n2  , то световая волнаостается в среде 2. Рисунок 17 (b) показывает распространение МШГ в полостидиска с показателем преломления n2, окруженного диэлектрической средой споказателем преломления n1.

Для волн, удовлетворяющих условиям полноговнутреннего отражения, периметр стенки должен быть кратным несколькимдлинам волн света в среде: 2 R  N   n2 (4.1)где N является целым числом. Другими словами, целое число волн укладываетсяпо периметру окружности. Уравнение (4.1) позволяет оценить резонансныечастоты, более детальные расчеты представлены в [28].Для цилиндрической геометрии оптические моды характеризуются азимутальнымчислом m, радиальным числом q:622 n2R  Tm ,qгде Tm,q - m-й корень функции Бесселя q-го порядка. Здесь рассмотрена 2D задача,z-направление игнорируется. Это оправдано для микроструктур, имеющих формудиска, которые довольно тонкие и имеют единственную (фундаментальную) TEмоду, электрическое поле которой направлено вдоль оси цилиндра. В этихобозначениях ТМ моды соответствуют полю с нулевой проекцией магнитного поляна ось цилиндра.4.2 Дисковые микрорезонаторы с активной средой на основе квантовыхточекЭлементы будущих фотонных интегральных схем активно исследуются в течениепоследних лет.Кольцевые или дисковые микрорезонаторы могут бытьиспользованы в фотонных схемах как микролазеры с низким порогом генерации[28],модуляторы [31] иadd/dropфильтров [33].Главнаяособенностькольцевого/дискового микрорезонатора – это высокая добротность МШГ, чтооткрывает возможность для достижения низкого порога лазерной генерации вструктурах с гораздо меньшим размером по сравнению с Фабри - Перорезонатором.

Кроме того, ультрамаленький микрорезонатор обеспечивает большоерасстояния между соседними резонансными длинами волн, что облегчаетполучение одночастотной лазерной генерации. С точки зрения интегральнойоптики, ультрамалые микрорезонаторы имеют малый объем активной области, чтопозволяет обеспечить высокую плотность компонентов в оптической схеме.63Рисунок 18 - (а) Изображение кольцевого резонатора с остатками диэлектрическоймаски на вершине, сделанное с помощью сканирующего электронного микроскопа.(b) схематическое изображение кольцевого резонатора с квантовыми точками,коричневый цвет показывает GaAs, зеленые слои – AlGaAs барьеры, активнаяобласть с InAs/InGaAs квантовыми точками представлена красным/серым.

Врезкапоказывает эскиз активной области.Процедураизготовления,особеннотравление,создаетдополнительныеповерхности рекомбинации, а также может увеличить количество дефектов. Этоувеличивает скорость безызлучательной рекомбинации носителей заряда, чтоприводит к более высокому порогу лазерной генерации. Эту трудность можноизбежать, используя самоорганизующиеся квантовые точки (КТ) [102] в качествеактивной среды. В квантовых точках даже при температуре 300К пространственнаялокализацияэлектроновидырокдостаточновелика.Вэтомслучаебезызлучательная рекомбинация на боковых стенках является основнымисточником потерь.4.3Изготовление наноструктуры64Мы изготовили микрокольца диаметром 2 мкм, которые демонстрируют лазернуюгенерацию при комнатной температуре при оптической накачке.

В экспериментахпо изготовлению мы использовали микроструктуру, выращенную с помощьюмолекулярно-лучевойэпитаксии(МЛЭ),котораясодержалпятьслоевInAs/In0.15Ga0.95As квантовых точек и несколько AlGaAs барьеров. Набор 2 мкмдисковых резонаторов с размером внутреннего диаметра от 0 до 1,4 мкм, былизготовлен посредством электронно-лучевой литографии и реактивного ионноготравления через 100 нм маску SiO2. Сканирующая электронная микроскопия имикрофотолюминесценция были использованы для характеризации лазерныхнаноструктур, излучающих в диапазоне 1,3 мкм. Построена зависимость порогалазерной генерации как функции от толщины кольца.Изготовление кольцевых/дисковых микрорезонаторов на КТ включает в себяследующие этапы технологии (см.

Рисунок 19):(a) молекулярно-лучевая эпитаксия(b) нанесение SiO2 маски (при ~ 300C, толщиной ~ 150-200 нм) и нанесениеотрицательного электронного резиста толщиной 150 нм.(c) Электронно-лучевая литография(d) Закрепление резиста(e) Реактивное ионное травление SiO2 маски (RIE)(f) Реактивное ионное травление GaAs структуры, используещее индукционносвязанную плазму (ICP)65Рисунок19-Технологическиешаги,необходимыедляизготовленияполупроводниковых кольцевых микрорезонаторов (a-f).Молекулярно-лучевая эпитаксии4.3.1Структурабылавыращенаметодоммолекулярно-лучевойэпитаксиинаполуизолирующей GaAs (100) подложке. Активная область содержит пять слоевInAs/In0.15Ga0.85As квантовых точек, разделенных 35 нм GaAs барьером.

Активнаяобласть располагается в середине 210 нм GaAs волноводного слоя, ограниченногос двух сторон 20 нм Al0.3Ga0.7As барьерами. Al0.98Ga0.02As слой толщиной 450 нмрасполагается ниже волноводного слоя, Рисунок 20 (а).На Рисунке 20 (b) представлен спектр фотолюминесценции, которыйдемонстрирует основной (GS), первый (ES1) и второй (ES2) оптические переходыв квантовых точках, Рисунок 20 (с). Лазерное генерация возможна на различныхпереходах (GS и ES1), ниже мы опишем лазерную генерацию на основномпереходе:EGS  E0e  E0h  Ebg(4.2)66где E0 e , E0 h - энергии электрона и дырки в зоне проводимости и валентной зоне,Ebg - ширина запрещенной зоны [102].Рисунок 20 - (а) Схематическое представление InAs/InGaAs гетероструктуры.

(b)Спектр фотолюминесценции InAs/InGaAs квантовых точек при Т = 300К. (с)Зонная диаграмма полупроводникового гетероперехода.4.3.2Электронно-лучевая литографияЭлектронно-лучевая литография (ЭЛЛ) представляет собой технологию, котораяпозволяет создавать структуры с пространственным разрешением до несколькихнанометров [103,104]. ЭЛЛ стала обычным методом получения масок дляпоследующего использования в фотолитографии для производства монолитныхчипов.Мы использовали негативный резист nLOF в качестве второй маски. Дляэлектронной литографии мы используем систему векторного позиционированияГауссова пучка. Источником электронов является пучок термоэмиссионныхэлектронов.

Генератор пучка электронов может работать с частотой до 50 МГц, чтопозволяет проводить экспозицию больших площадей очень быстро. Качествомаски, полученной с помощью данной технологии очень высокое, что было67подтверждено с помощью СЭМ. Были использованы следующие параметрыэлектронного пучка: доза = 100 μC/cm2, ток = 4 nA, частота = 49 MHz.

ЗакреплениеnLOF делается с помощью чистого проявителя AR 300-47 в течение 90 секунд.Далее образец промывают в воде в течение 30 секунд. После и до электроннойлитографии образец нагревается до 110 °С.Рисунок 21 -Схематическое представление процесса изготовлениянаноструктуры с помощью ЭЛЛ.68Рисунок 22 - Схематическое представление процесса изготовленияметаллической наноструктуры с помощью ЭЛЛ по методу “lift off”.4.3.3Атомно-слоевое осаждениеАтомно-слоевое осаждение представляет собой метод создания тонких пленок наповерхности образца любой природы, который основана на последовательностихимических реакций между газом и твердым телом и обладает способностью ксамоограничению [105-108]. Большинство реакций использует два химическихсоединения, которые обычно называются прекурсорами. Эти соединенияпопеременно вступают в реакцию с поверхностью приводя к росту тонких пленок.АСО является саморегулируемым процессом (количество осажденного материалав каждом реакционном цикле постоянно).

АСО процесс аналогичен химическомуосаждению из газовой фазы, и обладает свойствами самоограниченных69поверхностных реакций. АСО процесс выращивания тонких пленок позволяетконтролировать осаждение на атомном уровне. Разделение прекурсоров в процессеосаждения позволяет добиться контроля над процессом на уровне ~ 0,1 Å (10 пм)за один цикл.

Характеристики

Список файлов диссертации