Методы создания периодических оптических неоднородностей и их использование в устройствах интегральной оптики тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК р рЦЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. А-Ф- ИОФФЕ

1 7 ОКТ 1396 На правах рукописи

РОТКИНА(ГЛАДЫШЕВА) Лолита Геннадьевна

УДК 621.315.592

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ОПТИЧЕСКИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В УСТРОЙСТВАХ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОПТИКИ

(01.04.10 — физика полупроводников и диэлектриков)

Автореферат

диссертагпй на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург

1996

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе Росс ийской Академии наук.

Научный руководитель: кандидат физ.-мат. наук,

■ вед. научный сотруднйк Е. Л. Портной.

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук,

ст. научный сотрудник В. А. Елюхин,

кандидат физ.-мат. наук, в.нх. Н. С. Барченко.

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский государственный технический университет.

Защита состоится 1996 г. в -/-Г~часов на заседании

специалз шрованного совета К003.23.01 Физико-технического института им. А.Ф. ИоФфе РАН,194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы об автореферате в двух экземплярах, заверенные печатью, просим выслать по указанному адресу ученому секретарю специализированного совета.

Автореферат разослан Л&АЦЪ&Н 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат физ.-мат. наук Т^Лх^ У I - С. Куликов

- 3 -

Общая характеристика работы

Работа состоит из цикла исследований,проведенных в период 1990-1996гг.

и посвященных проблеме создания и исследования полупроводниковых волноводиых гетероструктур с периодическими оптическими неод-нородностями и полупроводниковых подложек с металлическими п металлизированными дифракционными решетками. -

Актуальность темы. Массивы периодлческпх неоднородностей из элементов разнообразного профиля широко используются в различных областях физики и техиики. Оптические и квазйоптическпе волномеры п интерферометры, преобразователи поляризации и фазовращатели,полупроводниковые лазеры с распределенной обратной связью (РОС) и лазеры с распределенным брэгговским зеркалом (РБЗ), полупроводниковые квантовые проволоки и точки - далеко не полный перечень устройств, которые в качестве одного из своих основных узлов имеют периодическую структуру типа дифракционной решетки. С помощью встроенных дифракционных решеток в полупроводниковых РОС-лазерах на основе ГиСаАвР/ГпР был получен одночастотный режим генерации в области 1,55 мкм. Одночастотный источник лазерного излучения на этой длине волны является оптимальным для волоконно-оптических линии связи большой протяженности с высокой скоростью передачи информации, так как данная спектральная область соответствует минимуму оптических потерь в современных кварцевых световодах. С другой стороны,с помощью дифракционных решеток, сформированных па поверхности полупроводниковых гетероструктур с одной

плп несколькими квантовыми ямами, оказалось возможным создание в исследование массивов квантовых нитей и точек. Понижение размерности должно приводить к существенным изменениям физических свойств структур и ожидается, что такие структуры будут перспективны для приборных применений. Каждый тип устройств требует разработку надежного способа воспроизведения в своем технологическом цикле решеток с конкретными параметрами и физическими свойствами. Кроме того, периодические оптические неоднородности, являясь важным элементом гетеролазерных конструкций, в сочетании с оптической накачкой, служат также уникальным инструментом физических исследований полупроводниковых гетероструктур. Именно этим определяется акту* альность данной диссертационной работы.

Несмотря на наличие значительного числа работ, посвященных ис-. следованию и применению структур с периодическими оптическими не-однородностямп, с появлением новых источников излучения и освоением новых перспективных полупроводниковых материалов возникают новы? возможности для решения старых задач и постановки и решения новых,

Целью диссертационной работы являлось:

* исследование технологических возможностей создания периодических структур, содержащих фазовый сдвиг фрагментов рисунка на полпериода (гг/2);

* исследование технологических возможностей создания структур, содержащих периодические оптические неоднородности типа квантовых нитей и точек;

* исследование физических и оптических свойств полученных образцов, определение основных факторов, влияющих на приборные применениями оптимизация этих факторов.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Показала новая возможность создания сбоя шага дифракционной решетки на нолпериода (тг/2) для полупроводникового лазера с распределенной обратной связью с четвертьволновым фазовым сдвигом (РОС-лазер с А/4 сдвигом).

2. Предложен метод создания массивов металлических стенок квантовых размеров. Изучены особенности создания массивов N1 стенок на подложках из СаАя.

3. Изучены особенности квантовых проволок, изготовленных методом травления исходных двумерных структур. Показано, что рассчитанное значение эффективной ширины проволок существенно меньше их средней ширины, измеренной непосредственно по снимкам, полученным с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ).

4. Изучены особенности отражения света при углах падения, близких к нормальному, от дифракционных решеток с металлическими покрытиями в зависимости от направления вектора поляризации по отношению к ориентации штрихор решетки.

5. Изучены особенности отражения света от металлизированных дифракционных решеток, шаг которых меньше длины волны падающего излучения, получены зависимости интенсивности

отраженного излучения от шага, поляризации и толщины металлического покрытия (Аи).

Практическая ценность работы заключается в следующем.

1. Разработана технология создания дифракционных решеток методом топографической литографии на поверхности полупроводниковых материалов ваЭБ, а также на тонких слоях Аи, №, У^Оь, нанесенных на подложки СаАв. .

2. Разработана технология удвоения шага дифракционных решеток, изготовленных "на фоторезистивных слоях налесенных на полупроводниковые подложки посредством удаления верхних и нижних частей металлического покрытия, нанесенного на фоторезист.

3: Предложен способ изготовления дифракционных решеток со сбоем 7г/2 для полупроводниковых лазеров с распределенной обратной связью, состоящий в сдвиге фрагментов маски напылением под углом металла пли диэлектрика с последующим травлением через измененную маску.

4. Создана серия образцов, изготовленных на подложках СэАб методом голографической литографии с последующим напылением тонких слоев Аи, Ад и А1, предназначенная для наблюдения и изучения аномального отражения света В зависимости от параметров решеток (формы, толщины покрытия, напыленного металэта) и параметров излучения (направления поляризации, угла падения на образец).

5. Экспериментально реализованы образцы, содержащие квантовые проволоки lnGa.AsfGa.As, исследование спектров фотолюминесценции которых показывает, что созданные образцы обладают свойствами, характерными для одномерных объектов.

6. Изготовлен миниатюрный шаблон, представляющий собой дифракционную решетку из Аи, нанесенную на прозрачную для ультрафиолетового излучения подложку К^Рг, предназначенный для исследования возможностей контактной литографии с использованием качестве источника излучения эксимерного лазера с длинами волн 308, 249 и 193 нм.

По результатам исследований на защиту выносятся следующие научные положения:

★ Положение 1. (о методике изготовления дифракционной решетки со сбоем шага)

Дифракционная решетка со сбоем шага 7г/2 для лазера с распределенной обратной связью с четвертьволновым фазовым сдвигом изготавливается на основе маски из фоторезиста с соотношением ширины штриха и промежутка 1:3. Н; боковые стороны штрихов напыляется слой металла или диэлектрика, асимметрично изменяющий их форму. Напыление производится через трафарет в два этапа. Толщина покрытия, измеренная у основания, составляет 1/4 периода исходной маски. Полученная после удаления фоторезиста маска содержит фрагменты дифракционной решетки, сдвинутые на четверть периода относительно исходной, полный сдвиг фрагмен-

tod маски друг относительно друга составляет половину периода.

к Положепие 2. (о методике изготовления одномерных полупроводниковых гетероструктур)

Для получения одномерных гетероструктур (квантовых нитей) используется метод топографической литографии. Для этого на полупроводниковой гетероструктуре с одной или несколькими квантовыми ямами интерференционной засветкой формируется фоторезп-стивная маска, состоящая из полос, шириной 70 - 80 нм, через

которую производится реактивное ионное травление с

последующим заращиванием. Участки квантовых ям в гребнях

для нитей имеют эффективную ширину J0 - 12 нм, при которой

проявляются квантоворазмерные свойства, характерные для

одномерных структур. + Положепие 3. (о методе создания массивов металлических стснок

квантовых размеров)

Массивы метнлличе. ähx стенок (Ni) на подложках in GaAs получаются из исходной решетчатой фоторезнгтивной маски. На боковые стороны маски напыляется слой металла К) - 100 нм. Реактивным ионным травлением удаляется слой металла с верхних частей штрихов решетки, затем травлением н плазме О? удаляется фоторезист ивная маска. Дифракционные свойства металлических решеток. полученных после удаления фоторезиста определяются вертикальностью стенок и соотношением ширины штриха и промежутка исходно» фоюрегшетивнои маски.

Апробация работы. Основные результаты докладывались на международной конференции "Nanostructure: science and technology" (Санкт-Петербург. Репино. 1994), на международном симпозиуме "Microlitho-grapliy' 96" па конференциях "Electron-Beam, X-Ray, EUV, and Ion-Beam Submicrometer Lithographies for Manufacturing VI" n "Optical Microlitho-graphy IX" (USA, CA, Santa Clata).

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в девяти печатных работах.

Структура и объём диссертации. Диссертация сострит из введения, пяти глав, заключения и библиографии. Объём диссертации составляет 149 страниц текста, в том числе 45 рисунков и список литературы, включающий 111 публикаций,отдельно приводится список работ автора по теме диссертации: 9 наименований .

Краткое содержание работы

Во введении показана актуальность темы исследования, сформулирована цель работы, показана научная новизна и практическая ценность результатов, полученных в диссертации. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту и дана краткая аннотация работы.

Первая глава имеет обзорный характер, в ней описываются методы создапия периодических оптических неоднородностеп, основанные па различных известных технологиях.

Первый параграф посвящен подробному оппганию гологрлфичса.о! <> метода, как основного в настоящей,икхертяниоппой работе. Раггма J ри

ваются варианты оптических схем, применяемых для интерференционного экспонирования. Требования, предъявляемые к оптической установке и источникам излучения, зависят от применяемых фоточувствительных материалов п способов их обработки и подготовки к процессам переноса рельефа в материал.

Во втором параграфе обзорно рассматриваются другие методы создания периодических неоднородностей, такие как электронно-лучевая литография, ксзтактная литография и некоторые другие способы рифления поверхностей. Кроме того.описаны ограничения применения каждого из методов. Описана попытка получения высокого разрешения контактной печати при использовании импульсного излутения эксимер-ного лазера. Продемонстрирована принципиальная возможность'получения отпечатка шаблона в случае, когда длина волны излучения вдвое превосходит зазор между элементами.

В третьем параграфе приводятся методы определения параметров фазовых дифракционных решеток, полученных на поверхности полупроводника. Практически все измерения, связанные с дифракционными решетками, основаны на регистрации пространственного положения максимумов дифракционных порядков друг относительно друга и измерении относительных интенсивностей отраженного света в этих максимумах. Показано, что для измерения шага дифракционных решеток нерачрущаюшдй оптический контроль дает самые точные результаты. Обсуждается вопрос возможности использования этого метода для определения профиля и глубины периодических структур решеточного типа. Проводится сравнение с измерениями параметров решеток по фотографиям, полученным сканирующим и просвечивающим 'электронными мп-

кроскопами.

Вторая глава посвящена особенностям технологии голографии. Большинство методик включает две основные стадии получения дифракционных решеток. Первая - получение фоторезпстпвной решеточной маски. Вторая - перенос фоторезпстпвной маски в материал подложки.

В первом параграфе рассматриваются однослойные фоторезистив-ные маски. Существует проблема получения глубоких фоторезистив-ных масок на подложках с высоким коэффициентом отражения, обусловленная наличием плоскостей минимальной интенсивности света, расположенных параллельно поверхности подложки на расстоянии /г = Л/(2п] соз#|) друг от друга. Это приводит к тому, что при проявлении позитивной засвеченной фоторезистивной маски не удается удалить нижние области пленки и получить глубокую маску с бездефектным зазором между штрихами. В различных интегрально-оптических устройствах спектрального уплотнения широко применяются дифракционные решетки с асимметричным треугольным профилем штриха, дающие высокую дифракционную эффективность в одном порядке дифракции. Такие решетки обычно изготавливают на специально ориентированных полупроводниковых подложках, оптические свойства которых также необходимо учитывать уже на этапе подготовки к ?*:спонп-рованпю.Эксперименты по получению глубоких масок заданного профиля были проведены на полупроводниковых подложках СаАй, 1иР. ваБЬ, СаР, ГиСаАз/СаЛв, А^Гг и тонких слоях Аи, \г205. напыленных на подложки из СаАв. Сравниваются фоторезистивные маски, полученные в одних и тех же условиях на различных материалах.

Маскам с напылением посвящеп второй параграф, во втором пара-

графе также рассматривается способ получения маскп для изготовления периодических сбоев дифракционной решетки на тг/2 п способ получения металлических дифракционных решеток удвоенного периода. Поскольку глубина фоторезистивных масок, полученных описанными выше методами, ограничена, в работе предложен метод увеличения глубины маски посредством напыления на маску металла под определенным углом, так что наращивается верхняя часть штриха маски и не запы-ляется впадина. Подробно описана технология изготовления миниатюрного шаблона, представляющего собой дифракционную решетку из Аи. нанесенную па прозрачную для ультрафиолетового излучения подложку К^Гг, предназначенного для экспериментов по контактной литографии на основе эксимерного лазера с длинами волн 308. 249 и 193 нм.

В третьем параграфе рассматриваются различные способы переноса решеток в материал. Существуют несколько технологических способов переноса рельефа с фоторезиста на поверхность: химический, понно-плазменный (РИТ) и электронный. В трех разделах третьего параграфа подробно рассматриваются каждый пз вышеупомянутых спс обов и приводятся экспериментальные данные.

Третья глава посвящена исследованию свойств получаемых экспериментально периодических оптических неоднородностей. Описывается методика эксперимента, поставленного на серии образцов, изготовленных на подложках СаАв методом топографической литографии с последующим напылением тонких слоев Аи, и А1 . Целью псследования являлось наблюдение и изучение аномального отражения света в зависимости от параметров решеток (формы, толщины покрытия, напыленного металла) и параметров излучения (направления поляризации, угла

- 13 -падения на образец). Описана методика эксперимента,приводятся расчетные п полученные на практике данные.

Четвертая глава посвящена применению в интегральной оптике структур со встроенными периодическими неоднородностями. В первом параграфе рассматривается создание и исследование оптических свойств квантовых прополок ЬЮа-Аз/СаЛя . Полупроводниковые структуры с пониженной размерностью являются в настоящее время одним из основных объектов исследований в физике полупроводников. Значительное внимание, в частности, уделяется созданию и исследованию полупроводниковых квантовых проволок (КП). Понижение размерности должно приводить к существенным изменениям физических свойств структур и ожидается, что такие структуры будут перспективны для приборных применений. Топографическая засветка тонкого слоя фоторезиста дает возможность получить на поверхности полупроводника маску с размерами менее 0.5 мкм. Мезаструктуры, полученные при травлении через такую маску могут использоваться как дифракционные решетки п, при уменьшении размеров до < 0.1 мкм, как квантовые проволоки.

Пятая глава. В первом разделе рассматриваются принципы работы полупроводниковых лазеров со встроенными периодическими неоднородностями - РОС- и РБЗ-лазеры. Для передачи сигналов в волокон-нооптических линиях связи используются инжекцнонные полупроводниковые лазеры, излучающие на длинах волн, на которых наблюдаются минимальные потерн света в волокнах. В настоящее время это длины поли 1.3 мкм и 1.оо мкм. В перепеките возможен переход к более длинноволновому диапазону, связанный с разработкой неокепдных волокон,

в котором потери могут быть еще более уменьшены. Лазеры диапазона 1.1-1.65 мкм изготавливаются на гетероструктурах ЫСаАвР/ЫР, а для диапазона 1.7-4.4 мкм перспективными являются узкозонные твердые растворы на основе СаБЬ/АЮаАзЗЬ/ЫСаАвЗЬ . Инфракрасные лазеры этого диапазона необходимы также для ИК - спектроскопии. Во втором разделе рассматривается изготовление дифракционных решеток для лазеров с распределенной обратной связью. Описана технология создания дифракционных решеток со сбоем периода на тг/2 для создания РОС-лазеров с четвертьволновым сдвигом.

В конце каждой главы сделаны выводы.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в работе.

Диссертационная работа посвящена разработке различных методов получения периодических оптических неоднородностей в полупроводниковых, проводящих и изолирующих структурах и исследованию особенностей, связанных с применением этих структур в приборах интегральной оптики.

Основные результаты диссертационной работы

1. Предложен метод создания массивов металлических стенок квантовых размеров. Изучены особенности создания массивов № стенок на ^подложках из СаАэ .

2. Изучены особенности отражения света при углах падения, близких к нормальному, от дифракционных решеток с металлическими покрытиями в зависимости от направления вектора по-

лярпзации по отношению к ориентации штрихов решетки.

3. Показана новая возможность создания сбоя на 7г/2 дифракционной решетки для полупроводникового лазера с распределенной обратной связью (РОС) с А/4 фазовым сдвигом. Предложенный способ состоит в сдвиге фрагментов маски напылением под утлом металла или диэлектрика с последующим травлением через измененную маску.

4. Изучены особенности отражения света от металлизированных дифракционных решеток, шаг которых меньше длины волны падающего излучения, получены зависимости интенсивности отраженного излучения от шага, поляризации и толщины металлического покрытия (Аи).

5. Разработана технология создания дифракционных решеток методом голографлческой литографии на поверхности полупроводниковых материалов ваБЬ, а также на тонких слоях Аи, У205, нанесенных на подложки СаАв .

6. Разработана технология удвоения шага дифракционных решеток, . изготовленных на фоторезистявных слоях на полупроводниковых подложках посредством удаления верхних и нижних частей металлического покрытия, нанесенного на фоторезист.

7. Создана серия образцов, изготовленных на подложках СаАв методом топографической литографии с последующим напылением тонких слоев Аи, Ag и А1, предназначенная для наблюдения и изучения аномального отражения света в зависимости от па-

раметров решеток (формы, толщины покрытия, напыленного металла) и параметров излучения (направления поляризации, угла падения на образец).

8. Экспериментально реализованы образцы, содержащие квантовые проволоки ^СаАв/СаАв, исследование спектров фотолюминесценции которых показывает, что созданные образцы обладают свойствами, характерными для одномерных объектов.

9. Изготовлен миниатюрный шаблон, представляющий собой дифракционную решетку из Аи, нанесенную на прозрачную для ультрафиолетового излучения подложку й^Га, предназначенный для исследования возможностей контактной литографии с использованием в качестве источника излучения эксимерного лазера с длинами волн 308, 249 и 193 нм. .

10. Продемонстрирована возможность сверхвысокого разрешения для традиционной контактной печати. Полученные элементы изображения имеют порядок половины длины волны. Высказывается предположение о том, что такой результат является следствием взаимодействия высокоэнергетичных квантов излучения с веществом. Возникает эффект усиления контраста.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. L.G. Gladysbeva, A.E.Dulkin, N.D.Il'inskaya, V.A.Mishurnii, V.Z.Pya-taev, V.V.Sazonov, V.B.Smirnitskii, "Fabrication and overgrowth of diffraction gratings for GaSb/AlGaAsSb/InGaAsSb DFB lasers." // Proc. of Int. Conf. on Microlithography "ME 92", Abstracts, — Erlangen, — Germany, — Sept., 1992.

2. L.G. Gladysheva, A.E.Dulkin, N.D.Il'inskaya, D.V.Kuksenkov, V.A.Mishurnii, V.Z.Pyataev, V.V.Sazonov, V.B.Smirnitskii, V.A. Vasilyev "The some pecularities of AlGaAsSb/GaSb/InGaAsSb DFB Lasers preparing", // Proc. of SPIE's Int. Conf. on Lasers, Sensors, Applications, "QE/LASE-93", — Abstracts, — USA, — Sept., 1993.

3. S.A.Gurevich, L.G. Gladysheva, S.I.Nesterov, V.I.Skopina, V.B. Smir-nitskii, F.N.Timofeev, A.Usikov, B.S.Yavich "Applications of low-defect reactive ion etching in CI2/B CI3 gases in combination with MOCVD or APCVD overgrowth for GaAs/AlGaAs submicrometer structure formation.", // Proc. of Int. Conf. on Nanostructures: Physics and Technology, — Abstracts, — St.Petersburg, — Russia, — June 13-18

1993.

4. С.А.Гуревич, Л.Г.Гладышева, С.О.Когновицкий, С.И.Кохановский, И.В. Кочнев, С.И. Нестеров, В.И. Скопина, В.Б. Смирницкий, В.В.Травников, С.И.Трошков, А.С.Усиков. "Проявление одномерной плотности состояний в спектрах люминесценции квантовых проволок InGaAs/GaAs ." // Физика твердого тела (ФТТ) N.6 —

1994, с.1774-1777.

5. N.A.Bert, S.A.Gurevich, L.G. Gladysheva, S.O.Kognovitskii, S.I.Ko-hanovskii, I.V.Kochnev, S.I.Nesterov, V.I.Skopina, V.B. Smirnitskii, V.V.Travnikov, S.I.Troshkov, A.S.Usikov, "Development and study of the optical properties of InGaAs/GaAs quantum wires", // Semiconductors 28 (9), — September — 1994, — pp. 895 - 898. // (Физика и техника полупроводников, том 28, вып. 9, стр. 1Р05 - 1612, 1994). Semiconductors, v. 28,

6. L.G. Gladysheva, V.B.Smimitskii, A.A.Lunev, D. Pristinskii, "Fabrication of submicron grating by holographic lithography and shadow evaporation of metal or insulator layers", // Proc. of SPIE-96 International Symposium on Microlithography, Conf. "Optical Microlithography IX" — 10-15 March, — Santa-Clara, CA, USA, — 1996.

7. L.G. Gladysheva, N.A.Kaliteevskaia, S.I.Nesterov, R.P.Seisyan, D.V.Smir-nov, S.Babyshkin, M.A.Vasilevski, "High resolution capal ility for contact printing by pulsed eximer laser radiation in the films AS2S3 ", // Proc. of SPIE-96 International Symposium on Microlithography, Conf. "Electron-Beam, X-Ray, EUV, and Ion-Beam Submicrometer Lithographies for Manufacturing VI" — 10-15 March, — Santa-Clara, CA, USA,— 1996.

8. S.A.Gurevich,L.G. Gladysheva, V.I.Skopina, V.B.Smimitskii, F.N.Ti-mofeev, A.Usikov, B.S.Yavich, M.M.Kulagina, "Applications of low-defect reactive ion etching in CI2/ В Clj gasos in combination with MOCVD or APCVD overgrowth for formation GaAs/AlGaAs submicrometer structure", // Semiconductors: science and technology, — 11 pp.797-800 — 1996'.

9. Л.Г. Гладышева, Н.А.Калитеевская, Р.П.Сейслн, Д.В.Смирнов "Получение периодических структур с шириной полосы 0.1 мкм контактной печатью на тонких пленках сульфида мышьяка при использовании импульсного излучения эксимерного лазера". 1996.

Отпечатано в типографии ПИЯФ

Зак. 384, тир. 100, уч.-изд. л. 1;27/VM996 г. Бесплатно ,