Оптические свойства анизотропных кремниевых структур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ
|
Круткова, Елена Юрьевна
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2007
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.10
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
ООЗиьи
На правах рукопис
Круткова Елена Юрьевна
ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АНИЗОТРОПНЫХ КРЕМНИЕВЫХ СТРУКТУР
Специальность 01 04 10 - физика полупроводников
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
г 4 МАЙ 2007
Москва - 2007
003060103
Работа выполнена на физическом факультете Московского государственного университета им МВ Ломоносова
Научный руководитель:
доктор физико-математических наук Тимошенко Виктор Юрьевич
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук
Белогорохов Александр Иванович
кандидат физико-математических наук Федянин Андрей Анатольевич
Ведущая организация:
Центр Естественно-Научных Исследований Института Общей Физики РАН им А М Прохорова
Защита состоится " 24 " мая 2007 года в 16°° часов на заседании диссертационного совета Д 501 001 70 при Московском Государственном Университете им MB Ломоносова по адресу 119992 ГСП-2 Москва, Ленинские горы, МГУ им M В Ломоносова, аудитория 2-05д криогенного корпуса
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им M В Ломоносова
Автореферат разослан " апреля 2007 года
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 501 001 10 доктор физико-математических наук
профессор
Плотников Г С
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы представленных исследований обусловлена широкими возможностями использования кремниевых структур в современных оптоэлектронных технологиях Учитывая, что кристаллический кремний (с-Я)) является базовым материалом современной микроэлектроники и компьютерной техники, то на повестку дня встает задача совмещения кремниевых электрических и оптических элементов в рамках одной интегральной схемы Однако высокая изотропия линейных оптических свойств с-Б1 ограничивает возможности его применения как для решения данной задачи, так и в фотонике в целом Выходом из ситуации может быть формирование на основе с-Э1 анизотропных микро- и наноструктур, которые обладают оптическими характеристиками, необходимыми для управления светом При этом, варьируя условия формирования, можно было бы создавать анизотропные кремниевые структуры с желаемыми значениями показателей преломления и величиной двулучепреломления Кроме того, поскольку кремний является полупроводником, открывается перспектива управления оптическими свойствами образцов посредством контролируемого изменения концентрации свободных носителей заряда в их микро- и наноструктурах Все это обуславливает актуальность задачи по исследованию оптических свойств анизотропных кремниевых структур
Анизотропные кремниевые структуры можно формировать, используя преимущественное травление с-Б1 вдоль кристаллографических направлений <100>, что достигается в определенных электрохимических или химических процессах Важными примерами таких анизотропно-структурированных кремниевых систем являются так называемые пористый кремний (ПК) и щелевые кремниевые структуры (ЩКС) В частности, недавно было обнаружено, что ПК, получаемый при электрохимическом травлении сильно легированных бором монокристаллов с-81 с ориентацией поверхности (110), при определенных режимах формирования обладает значительным двулучепреломлением, обусловленным анизотропией формы составляющих его
кремниевых остатков (нанокристаллов) и пор [1] Причем, величина двулучепреломления в слоях ПК оказывается много больше, чем для известных природных двулучепреломляющих кристаллов, таких, например, как исландский шпат [2] Еще большим двулучепреломлением могут обладать ЩКС, состоящие из чередующихся кремниевых слоев и пустот (щелей) с характерными толщинами порядка нескольких микрометров [3] В последнем случае двулучепреломление проявляется в средней и дальней инфракрасной (ИК) области спектра Отметим, что анизотропия оптических свойств ПК и ЩКС связана с так называемым явлением двулучепреломления формы, обусловленным присутствием в среде анизотропных по форме структурных элементов с характерными размерами много меньше длины волны света [4]
Важной особенностью двулучепреломления в ПК является то, что ее величиной можно управлять как в процессе формирования материала, так и при последующих его обработках Фактически двулучепреломляющие слои ПК представляют собой яркий пример создания новых наноструктурированных материалов с уникальными оптическими и электронными свойствами Поскольку при определенных условиях формирования ПК представляет собой ансамбль кремниевых нанокристаллов с чрезвычайно большой удельной поверхностью, то открывается возможность управления его свойствами, в частности, концентрацией свободных носителей заряда, посредством адсорбции различных молекул До последнего времени считалось, что в силу различных причин в ПК происходит практически полное обеднение равновесными носителями заряда Такое обеднение хорошо объяснимо для микропористого кремния (микро-ПК) с характерными размерами нанокристаллов и пор порядка нескольких нанометров [5] В этом случае необходимо учитывать квантовый размерный эффект, приводящий к сильной локализации носителей заряда и росту энергии связи примесных центров Однако, в мезопористом кремнии (мезо-ПК), для которого характерные размеры кремниевых нанокристаллов обычно составляют более 5-10 нм, концентрация свободных носителей заряда может достигать значительных
величии (более 10,7см"3) [6] Концентрация свободных носителей заряда при этом сильно зависит от диэлектрического окружения и поверхностного состояния нанокристаллов [6,7] Свободные носители заряда в случае их высокой концентрации вносят существенный вклад в полную диэлектрическую проницаемость ПК Поэтому, управляя концентрацией свободных носителей заряда с помощью адсорбции молекул, можно существенным образом влиять на оптические свойства ПК, особенно в ИК области спектра [8]
К моменту постановки данного диссертационного исследования в научной литературе отсутствовали надежные данные о дисперсии показателей преломления двулучепреломляющего мезо-ПК Не было также исследовано влияние пористости данного материала и концентрации свободных носителей заряда в нем на спектры показателей преломления и двулучепреломление Оптические свойства ЩКС были исследованы только в узком спектральном диапазоне, а полученные результаты не имели количественного согласия с предсказаниями теории
Целью работы являлось исследование в широком спектральном диапазоне оптических свойств анизотропных слоев мезо-ПК, полученных на сильно легированных бором подложках с-81, а также микроструктур ЩКС, для выяснения влияний их структурных характеристик и концентрации свободных носителей заряда на двулучепреломление и дихроизм
В работе были поставлены следующие задачи:
1 Исследование дисперсии показателей преломления и двулучепреломления в анизотропных слоях мезо-ПК и анализ полученных результатов в рамках модели эффективной среды
2 Изучение зависимости величины двулучепреломления слоев мезо-ПК от их пористости и определение количественных характеристик анизотропии формы кремниевых нанокристаллов и пор в исследуемых слоях
3 Исследование в широком спектральном диапазоне оптического пропускания образцов ЩКС и анализ полученных результатов с целью нахождения значений основных компонентов тензоров эффективной
диэлектрической проницаемости и эффективного показателя преломления таких структур
4 Изучение особенностей комбинационного рассеяния света в мезо-ПК и ЩКС для выявления роли анизотропии формы кремниевых структур и свободных носителей заряда в данном явлении
5 Экспериментальное и теоретическое исследование влияния свободных носителей заряда на эффективные показатели преломления и коэффициенты поглощения мезо-ПК и ЩКС в ИК диапазоне спектра
Для решения поставленных задач был применен комплекс различных методов исследования, включающий методы поляризационно-чувствительной ИК и субмиллиметровой спектроскопии тонких слоев, растровую электронную микроскопию, спектроскопию комбинационного рассеяния света (КРС)
Достоверность полученных результатов обеспечена применением набора взаимно-дополняющих экспериментальных методик, детальным анализом физических явлений и процессов, определяющих оптические свойства исследуемых структур В значительной степени достоверность полученных результатов подтверждается хорошим согласием между экспериментально полученными данными и значениями, рассчитанными в рамках общепринятых физических моделей Автор защищает
1 Новые данные по дисперсии показателей преломления и двулучепреломления мезо-ПК в спектральном диапазоне 0 6-6 мкм и вывод о возможности их описания в рамках обобщенной модели эффективной среды Бруггемана
2 Найденные зависимости эффективных показателей преломления, величины двулучепреломления и степени анизотропии формы кремниевых нанокристаллов и пор от величины пористости слоев мезо-ПК, изменяемой в диапазоне от 55 до 85%
3 Утверждение о возможности многократного изменения величины двулучепреломления и ее знака в ИК диапазоне спектра в слоях мезо-ПК
при увеличении в них концентрации свободных носителей заряда выше 1019 см'3.
4 Вывод о возможности описания в дальнем ИК диапазоне спектра оптических свойств ЩКС с периодом структур 4-7 мкм в рамках модели эффективной среды с учетом эффектов двулучепреломления формы
5 Утверждение о возможности использования метода комбинационного рассеяния света для определения концентрации свободных носителей заряда в мезо-ПК
6 Вывод о многократном увеличении интенсивности сигнала комбинационного рассеяния света в ЩКС при возбуждении их светом с длиной волны ~1 мкм, близкой к толщине кремниевых стенок в таких структурах
Научная новизна результатов, полученных в диссертации
1) Экспериментально найдены законы дисперсии показателей преломления и величины двулучепреломления в анизотропных слоях мезо-ПК в видимом и ИК диапазонах спектра
2) Установлено, что оптические свойства мезо-ПК в видимом и ИК диапазонах спектра могут быть удовлетворительно описаны в рамках модели эффективной среды Бруггемана с учетом анизотропии формы кремниевых нанокристаллов и пор
3) Впервые экспериментально и теоретически изучено влияние свободных носителей заряда на дисперсию показателей преломления, двулучепреломление и дихроизм в слоях мезо-ПК
4) Впервые исследованы оптические свойства ЩКС в спектральном диапазоне 1-1250 мкм и найдены законы дисперсии эффективных показателей преломления и двулучепреломления таких структур
5) Предложен и реализован оптический метод определения концентрации свободных носителей заряда в диапазоне 10,7-1019 см3 в слоях мезо-ПК по изменению эффективности КРС
6) Обнаружен многократный по сравнению с подложкой с-Б1 рост
интенсивности стоксовой компоненты КРС в образцах ЩКС при возбуждении их светом с длиной волны ~1 мкм, близкой к толщине кремниевых стенок в таких структурах Научная и практическая значимость работы состоит в получении новых результатов, которые являются важными как для понимания фундаментальных электронных и оптических свойств анизотропных кремниевых нано- и микроструктур, так и для создания новых элементов на основе кремния для управления светом
Личный вклад. Роль диссертанта в экспериментальных исследованиях и теоретическом анализе оптических свойств мезо-ПК и ЩКС является определяющей
Апробация результатов работы.
Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 18 работах, из которых 6 статей и 11 тезисов в сборниках докладов и трудов конференций (см список публикаций) Апробация проходила на следующих конференциях Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам, секция Физика (Ломоносов-2003), Москва, Россия 2003, IV Национальная конференция по применению Рентгеновского, Синхротронного излучений, Нейтронов и Электронов для исследования материалов (РСНЭ-2003), ИК РАН, Москва, Россия 2003, X Международная конференция "Физика диэлектриков" ("Диэлектрики-2004"), Санкт-Петербург, Россия, 2004, 10th International Conference on Nonlinear Optics of Liquid and Photorefractive Crystals, Alushta, Crimea, Ukraine 2004, 10th International Conference on Extended Defects in Semiconductors (EDS-2004), Chernogolovka, Russia 2004, 2nd International Conference on Materials Science and Condensed Matter Physics (MSCMP 2004), Chisinau, Moldova 2004, 10lh Conference on Complex Media and Materials (Bianisotropics 2004), Ghent, Belgium 2004, VI Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и ианоэлектронике, Санкт-Петербург, Россия, 2004, Ломоносовские Чтения-2006, секция Физика, Москва, Россия 2006, 3d
International Conference on Materials Science and Condensed Matter Physics (MSCMP 2006), Chisinau, Moldova 2006, VIII Всероссийская Молодежная Конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, Россия 2006
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и основных выводов, и списка цитируемой литературы из 81 наименования Общий объем работы составляет 106 страниц машинописного текста, включая 75 рисунков и 7 таблиц
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, поставлены задачи исследований, дан анализ научной новизны полученных результатов и их практической ценности, приведены положения, выносимые на защиту, а также представлен 'перечень конференций, в рамках которых происходила апробация работы, и список публикаций
Первая глава является обзором литературы и посвящена изложению основных подходов к описанию оптических свойств гетерогенных систем, а также имеющихся в научной литературе сведений по анизотропии оптических свойств ПК и 1ЦКС В разделе 1.1 обсуждаются основные модели эффективной среды, и рассматривается явление двулучепреломление формы В разделе 1.2 содержится информация об оптических свойствах слоев ПК, связанных с анизотропией формы составляющих его структурных элементов Делается вывод о том, что слои мезо-ПК, сформированные на сильнолегированных пластинах монокристаллического кремния //"-Si В с ориентацией поверхности (110), обладают сильным двулучепреломлением формы Также обсуждается анизотропия фотолюминесценции и КРС в ПК Раздел 1.3 посвящен описанию оптических свойств ЩКС Показано, что данные структуры могут обладать значительной величиной двулучепреломлеиия в дальнем ИК диапазоне спектра В разделе 1.4 рассматривается влияние свободных носителей заряда на диэлектрическую функцию кремниевых нано- и микроструктур, что приводит к изменению их оптических свойств В разделе 1.5 изложены основные
7
особенности явления КРС в кремниевых структурах, а также рассмотрено влияние свободных носителей заряда на спектры КРС — так называемый эффект Фано [9] В конце главы в разделе 1.6 сформулированы выводы из обзора литературы и поставлены задачи исследования
Во второй главе представлен теоретический анализ линейных оптических свойств анизотропных кремниевых структур в рамках модели эффективной среды Бруггемана и модели проводимости Друде В разделе 2.1 сформулированы основные подходы для расчета оптических характеристик анизотропных слоев мезо-ПК и ЩКС и дано обоснование использования моделей эффективной среды Бруггемана и модели проводимости Друде В разделе 2.2 представлены результаты расчета эффективных показателей преломления и коэффициентов поглощения ЩКС в дальнем ИК диапазоне с учетов влияния свободных носителей заряда Также рассмотрено изменение величины двулучепреломления ЩКС с изменением пористости структуры и диэлектрической проницаемости среды, заполняющей щели Были найдены оптимальные структурные параметры ЩКС, при которых величина двулучепреломления максимальна Расчеты свидетельствуют, что для ЩКС в дальнем ИК диапазоне может наблюдаться область аномальной дисперсии, связанная с влиянием свободных носителей заряда, что может привести к существенному увеличению двулучепреломления В разделе 2.3 представлен расчет дисперсии эффективных показателей преломления мезо-ПК в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра в предположении, что кремниевые нанокристаллы и поры имеют форму эллипсоидов вращения В дальнем ИК диапазоне было рассмотрено влияние свободных носителей заряда на двулучепреломление и дихроизм в мезо-ПК как с учетом рассеяния носителей заряда на стенках кремниевых нанокристаллов, так и без него Показано, что в дальнем ИК диапазоне спектра слои мезо-ПК могут обладать аномальной дисперсией и величина двулучепреломления многократно возрастает по сравнению с ее значением в среднем ИК диапазоне спектра
Третья глава посвящена описанию используемых образцов и экспериментальных методов. В разделе 3.1 данной главы изложена методика изготовления и основные параметры анизотропных слоев мезо-ПК. Для их приготовления в работе использовался метод электрохимического травления пластин сильно легированного бором монокристаллического кремния р^-БгВ с ориентацией поверхности (110) в растворе плавиковой кислоты в этиловом спирте. Преимущественный рост пор в кристаллографических направлениях <100> в процессе электрохимического травления обуславливает вытянутость кремниевых нано кристаллов и пор в плоскости слоя в направлении [1 1 0] (см. рис. I). В этом случае, как установлено в работах [1,2], оптическая ось системы совпадает с кристаллографическим направлением [001] в плоскости слоя. Размер кремниевых нанокристаллов и пор составляет 10-50 нм, что позволяет классифицировать исследуемые образцы ПК как мезопористые [5]. В разделе 3.2 приведена методика формирования ЩКС методом химического травления в растворе КОН. В качестве подложек в работе использовались низколегированные пластины с ориентацией поверхности (110). Полученная ЩКС состоит из последовательно чередующихся слоев кремниевых стенок и пустот (щелей) (см. рис.2). В работе исследовались ЩКС с
периодами 4-7 мкм и толщинами рис. 2. Изображение в сканирующем
, . , , электронном микроскопе попереч-
кремниевых стенок от 1.4 до 2.3 мкм для , „
1 ного сечения ЩКС (период 8 мкм,
глубина щелей 28 мкм) [3].
Рис.1. Изображение в просвечивающем электронном микроскопе поверхности типичного образца мезо-ПК, сформированного на подложке р^-ЗпВ с ориентацией поверхности (110), (темные области кремниевые нанокристаллы, светлые - поры) [2].
разных образцов Оптическая ось в ЩКС направлена перпендикулярно к кремниевым стенкам и совпадает с кристаллографическим направлением [001] В разделе 3.3 описана методика измерения спектров пропускания исследуемых образцов методами поляризационно-чувствительной спектроскопии в видимом, ИК и субмиллиметровом диапазонах спектра Расчет коэффициентов преломления осуществлялся как путем анализа интерференционной картины спектров пропускания с учетом порядка интерференционного максимума по формуле 2с1 п = т Л, где т — целое число, с1 — толщина щелевого слоя, так и путем аппроксимации экспериментальных данных расчетными спектральными зависимостями, полученными с использованием формул Френеля В разделе 3.4 показана схема измерения двулучепреломления и дихроизма в слоях мезо-ГЖ в видимом диапазоне спектра Также изложена методика расчета концентрации свободных носителей заряда в мезо-ПК и ЩКС по спектрам пропускания в среднем и дальнем ИК диапазонах спектра и описаны способы увеличения их концентрации путем адсорбции молекул и фотовозбуждения В разделе 3.5 приведены условия измерений спектров КРС мезо-ПК и ЩКС при возбуждении их длинами волн 0 514, 0 633 и 1 06 мкм
В четвертой главе представлены экспериментально измеренные дисперсионные зависимости показателей преломления для обыкновенной и необыкновенной волны в мезо-ПК в видимом и ИК диапазоне спектра Результаты измерений
анализируются в рамках моделей Бруггемана и Друде В разделе 4.1 приводятся полученные из спектров пропускания данные по двулучепреломлению и дихроизму в мезо-ПК в видимом, ближнем и среднем ИК диапазонах спектра На рис 3 представлены типичные
Рис 3 Дисперсионные зависимости показателей преломления обыкновенной па и необыкновенной пе волн в мезо-ПК с пористостью 60% Линиями показаны рассчитанные по формуле (1) спектры
дисперсионные кривые для обыкновенной п0 и необыкновенной пе волн Экспериментальные данные хорошо согласуются с расчетами, выполненными в работе в рамках электростатического приближения модели эффективной среды, когда форма нанокристаллов и пор аппроксимировалась эллипсоидами вращения Использовалась обобщенная формула Бруггемана [10]
1.x
yj e\~s\\X , | ^
= 0,
(1)
где г -компоненты тензора эффективной диэлектрической проницаемости мезо-ПК, соответствующие направлению электрического поля вдоль (||) и перпендикулярно (_L) к оптической оси, £\ и £>> - диэлектрические проницаемости кремниевых нанокристаллов и пор, f,=\ —р и f2= р — факторы заполнения для кремниевых нанокристаллов и пор (р — пористость), L\\s_ -факторы деполяризации для направлений вдоль и перпендикулярно к оптической оси, которые связаны друг с другом соотношением 2Lt + Ц = 1 и зависят от формы нанокристаллов и пор согласно соотношению [11]
arcsin ЬГ1 -Jx2 - 1
А =-
х2 -1
1 --
(2)
1 2
0 20
I 8
о 1 6
О 14 1 2 1 0
s п ____ О е у-- а i
-Ь
А À À i l б
-А
* ■ir
■ *
- * в
где х = а/с - отношение длин полуосей эллипсоида,
характеризующее степень анизотропии его формы Наблюдаемый рост значений показателей преломления и двулучепреломпления при уменьшении длины волны с 6
Рис 4 Зависимости показателей преломления для до 0 6 мкм (см рис 3) хорошо обыкновенной и необыкновенной волн (а),
величина двулучепреломления (б) и степени объясняется ростом величины анизотропии формы (с) от пористости мезо-ПК Кривые проведены для наглядности
£[ в соответствии с известным
законом нормальной дисперсии для нелегированного c-Si [12]
В области минимальной дисперсии (А.=3-5 мкм) были измерены зависимости показателей преломления и двулучепреломления мезо-ПК от степени его пористости (рис 4 а,б) Из этих данных по формулам (1) и (2) были рассчитаны отношения al с (рис 4в) Установлено, что с увеличением пористости мезо-ПК происходит уменьшение абсолютных значений показателей преломления (рис 4 а), но величина двулучепреломления возрастает (рис 4 б) Последнее обусловлено ростом степени анизотропии формы нанокристаллов кремния и пор (рис 4 в)
В разделе 4.2 представлены результаты исследования влияния свободных носителей заряда (дырок) на оптические свойства мезо-ПК в среднем и дальнем ИК диапазонах спектра Учитывая, что характерные размеры кремниевых нанокристаллов в изучаемых слоях мезо-ПК превышают 10 нм, для рассмотрения такого влияния была использована классическая модель Друде, согласно которой диэлектрическая проницаемость нанокристаллов может быть записана в виде
el(ú)) = Ea
100 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 V, СМ '
Рис 5 Спектры показателей преломления преломления, обыкновенной «„ и необыкновенной пе волны в мезо-ПК с пористостью 70% при разной концентрации свободных дырок Линиями даны образцов мезо-ПК с различной рассчитанные по формулам (1)-(3) зависимости
(3)
плазменная частота, определяемая концентрацией дырок, g— фактор затухания, обратно пропорциональный времени рассеяния
квазиимпульса носителей заряда На рис 5 показаны спектры показателей
определенные из спектров пропускания для
концентрацией свободных дырок N Последняя величина определялась из спектров коэффициента поглощения в соответствии с методикой, изложенной в работе [7] Для дисперсионных зависимостей характерна область аномальной дисперсии, которая обусловлена поглощением света свободными дырками, а также область, в которой показатель преломления необыкновенной волны больше, чем обыкновенной То есть, может иметь место изменение знака величины двулучепреломления Как видно из рис 5, экспериментальные спектры хорошо описываются расчетными кривыми, полученными с использованием моделей Бруггемана и Друде
В разделе 4.3 представлены результаты измерения КРС в слоях мезо-ПК Показано, что в мезо-ПК происходит модификация тензора комбинационного рассеяния света Влияние свободных носителей заряда на КРС в мезо-ПК (эффект Фано) приводит к практически линейному уменьшению интенсивности стоксовой компоненты КРС с увеличением концентрации дырок с 10'8 до Ю19 см"3 (см рис 6) Это позволяет использовать метод КРС в качестве оптического метода для определения концентрации свободных носителей заряда в мезо-ПК
В пятой главе рассмотрены линейные оптические свойства ЩКС в широком спектральном диапазоне 1 - 1250 мкм, а также приведены результаты исследования их методом КРС
В разделе 5.1 представлены поляризационные измерения спектров пропускания ЩКС, измеренные в диапазоне 1 - 1250 мкм Дано объяснение изменения оптических свойств ЩКС в разных спектральных диапазонах Из
Рис б Зависимость интенсивности стоксовой компоненты КРС в мезо-ПК от концентрации свободных дырок Длина волны возбуждения 106 мкм Линия показывает линейную зависимость
(1^7 мкм
нмнммм^апаавмзвняпфм
Й
600
Рис 7 Спектры показателей преломления для обыкновенной и необыкновенной волн и величины двулучепреломления в ЩКС (период 7 мкм) в диапазоне 20 - 600 см"1 Линиями показаны расчетные значения
аппроксимации экспериментальных данных спектрами пропускания,
рассчитанными с использованием приближения эффективной среды и формул Френеля, были получены спектры мнимой и реальной частей эффективной диэлектрической функции ЩКС и значений эффективных
показателей преломления На рис 7 представлены измеренные и показателей преломления и
рассчитанные спектры эффективных двулучепреломления в ЩКС Видно, что ЩКС характеризуются значительным двулучепреломлением (А п = 0 77) Хорошее согласие расчетных и экспериментальных данных позволяет заключить, что оптические свойства ЩКС в дальнем ИК диапазоне спектра могут быть хорошо описаны в рамках электростатического приближения эффективной среды Бругтемана Отклонение модели от экспериментальных данных на низких частотах могут быть связаны как с ростом влияния свободных носителей заряда, так и с особенностями структуры реальных образцов ЩКС
В разделе 5.2 анализируется влияние фотовозбужденных носителей заряда на оптическое пропускание ЩКС в субмиллиметровом диапазоне спектра (1-20 см"1) Показано, что при возбуждении образцов лазерным излучением с длиной волны 532 нм и интенсивностью порядка 0 1 Вт/см2 для обыкновенной волны наблюдается уменьшение пропускания на 1 - 2%, в то время как для необыкновенной волны изменений пропускания не наблюдалось Полученные результаты хорошо объясняются формулами (1)—(3), расчет по которым подтверждает, что рост концентрации свободных носителей заряда с
10й см"3 до 10
17 см"3 может приводить к наблюдаемым изменениям
пропускания Результаты расчетов также показывают, что данное уменьшение пропускания ЩКС обусловлено именно ростом поглощения, а не плазменным отражением
В разделе 5.3 представлены результаты исследования ЩКС методом
КРС Показано, что при длине волны возбуждающего света 1 06 мкм
наблюдается многократное
усиление стоксовой компоненты
рассеяния (см рис 8), что
связывается с эффектами частичной
локализации падающего и
рассеянного излучений в
кремниевых стенках, которые
выполняют роль волноводов
Поляризационные характеристики
Рис 8 КРС для ЩКС и подложки c-Si при в щкС носят изотропный
возбуждении циркулярно поляризованным
светом с длиной волны I Об мкм характер, что может быть объяснено
деполяризацией излучения в процессе его многократного отражения в кремниевых стенках Проведенные измерения КРС в ЩКС при возбуждении излучением с длинами волн 0 514 и 0 633 мкм не обнаруживают заметного усиления сигнала КРС В то же время, поляризационные измерения КРС в ЩКС на данных длинах волн показывают заметную анизотропию рассеяния в направлении вдоль кремниевых стенок
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
В работе были изучены оптические свойства анизотропных пленок мезопористого кремния, сформированных методом электрохимического травления сильно легированного бором пластин с-81, и щелевых кремниевых микроструктур, сформированных в результате анизотропного химического травления пелегированных кремниевых подложек, и выявлены основные закономерности влияния анизотропии формы составляющих исследуемые
образцы структурных элементов и концентрации свободных носителей заряда на эффективные показатели преломления, двулучепреломление и дихроизм в таких системах Были получены следующие основные результаты
1 Измерены спектры показателей преломления пленок анизотропных мезопористого кремния и выполнен их теоретический анализ, показывающий, что экспериментальные результаты для спектрального диапазона 0 6-6 мкм могут быть описаны в рамках электростатического приближения в модели эффективной среды, учитывающей анизотропию формы кремниевых нанокристаллов и пор, составляющих исследуемые образцы, а также материальную дисперсию кремниевых нанокристаллов
2 Установлено, что при увеличении степени пористости пленок мезопористого кремния с 55 % до 85 % величина двулучепреломлсния, определяемая как разность значений показателей преломления для обыкновенной и необыкновенных волн, в среднем ИК диапазоне спектра при нормальном падении увеличивается с 0 08 до 0 2, что объясняется ростом анизотропии формы нанокристаллов и пор
3 В ИК диапазоне спектра 5-50 мкм обнаружена аномальная дисперсия показателей преломления мезопористого кремния и дано объяснение полученных экспериментальных результатов в рамках приближения эффективной среды с учетом влияния свободных равновесных носителей заряда (дырок) с концентрацией более 1019 см"3 Установлено, что при таких концентрациях свободных носителей заряда также существенно изменяется величина двулучепреломления, включая изменение ее знака
4 Предложен и реализован новый бесконтактный метод определения концентрации свободных носителей заряда в пленках мезопористого кремния в диапазоне 1017—1019 см"3, основанный на влиянии свободных носителей заряда на интенсивность комбинационного рассеяния света -эффекте Фано
5 Исследованы оптические свойства щелевых кремниевых структур в широкой спектральной области 1-1250 мкм и обнаружено, что данные
структуры обладают значительной величиной двулучепреломления, которая может достигать значений 0 77 в дальнем РЖ диапазоне спектра, что находится в хорошем согласии с расчетами, выполненными в рамках приближения эффективной среды 6 Обнаружено многократное увеличение интенсивности стоксовой компоненты комбинационного рассеяния света в щелевых кремниевых структурах по сравнению с подложкой с-81 при возбуждении светом с длиной волны 1 06 мкм, близкой к толщинам кремниевых стенок, и дано объяснение данного эффекта на основе представлений о частичной локализации света в кремниевых стенках, выполняющих роль волноводов для падающего и рассеянного оптического излучения
Цитируемая литература
1 D Kovalev, G Polisski, J Diener, H Heckler, N Kunzner, V Yu Timoshenko, F Koch//Appl Phys Lett, 2001, v 78, № 24, pp 916-918
2 N Kunzner, D Kovalev, J Diener, E Gross, V Yu Timoshenko, G Polisski, F Koch,M Fujn //Opt Lett,2001,v 26,pp 1265-1268
3 E В Астрова, T S Perova, В А Толмачев, А Д Ремешок, J Vij, A Moore // ФТП, 2003, т 37, с 417-421
4 M Борн, Э Вольф Основы оптики, 1973, М Наука, 651 с
5 AG Cullis, LT Canham, PDG Calcott // J Appl Phys, 1997, v 82, pp 909-964
6 V Yu Timoshenko, Th Dittrich, F Koch // Phys Stat Solidi (b), 2000, v 222, PP 2-4
7 V Yu Timoshenko, Th Dittrich, V Lysenko, M G Lisachenko, F Koch // Phys Rev В, 2001, v 64, pp 085314(1-10)
8 Л А Осминкина, E В Курепина, А В Павликов, В Ю Тимошенко, ПК Кашкаров//ФТП, 2004, т 38, в 5, с 603-609
9 П Ю, М Кардона Введение в физику полупроводников, 2002, М Физматлит, 440 с
10 JE Spanier, IP Herman//Phys Rev В, 2000, v 61, № 15, pp 1043710449
11 JA Osborn // Phys Rev, 1945, v 67, pp 351
12 В И Гавриленко, AM Грехов, ДВ Корбутяк, В Г Литовченко Оптические свойства почупроводников (справочник), 1987, Киев Наукова думка, 608 с
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
А1 Л А Головань, АФ Константинова, КБ Имангазиева, ЕЮ Круткова, В Ю Тимошенко, П К Кашкаров "Дисперсия оптической анизотропии в пленках наноструктурированного кремния" // Кристаллография, 2004, т 49, № 1>стр 151-156
А2. L A Golovan, G I Petrov, V Sheslavskiy, Е Yu Krutkova, А В Fedotov, A M Zheltikov, PK Kashkarov, VY Timoshenko, VV Yakovlev "Nonlinear optical conversion m anisotropic ID photonic crystal structures" // Proceedings of SPIE - International Society for Optical Engineering, 2004, v 5360, pp 427434
A3 ПК Кашкаров, Л А Головань, С В Заботнов, В А Мельников, Е Ю Круткова, С О Коноров, А Б Федотов, К П Бестемьянов, В М Гордиенко, В Ю Тимошенко, А М Желтиков, Г И Петров, В В Яковлев "Увеличение эффективности нелинейно - оптических взаимодействий в наноструктурированных полупроводниках" // ФТТ,
2005, т 47, вып 1,стр 153-159
А4 Е Y Krutkova, V Y Timoshenko, L A Golovan, Р К Kashkarov, Е V Astrova, Т S Perova, В Р Gorshunov, A A Volkov "Broad band infrared spectroscopy of grooved silicon" // Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2005, v 5825, pp 670-676
A5 EIO Круткова, В Ю Тимошенко, Л А Головань, П К Кашкаров, Е В Астрова, Т С Перова, Б П Горшунов, А А Волков «Инфракрасная и субмиллиметровая спектроскопия щелевых кремниевых структур» // ФТП,
2006, т 40, № 7, стр 855-860
А6 G I Petrov, V I Shcheslavskiy, V V Yakovlev, L A Golovan, E Yu Krutkova, AB. Fedotov, AM Zheltikov, VYu Timoshenko, PK Kashkarov, EM Stepovich "Effect of photonic crystal structure on the nonlinear optical anisotropy of birefnngent porous silicon" // Opt Lett, 2006, v 31, № 21, pp 3152-3154
Подписано к печати Z?^ 0^.07 Тираж {00 Заказ 70
Отпечатано в отделе оперативной печати физического факультета МГУ
Список часто используемых сокращений и обозначений
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ВЛИЯНИЕ АНИЗОТРОПИИ ФОРМЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ НАНО- И МИКРОСТРУКТУР НА ИХ ОПТИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА (обзор литературы)
1.1 Концепция эффективной среды и двулучепреломление формы
1.2 Двулучепреломление в слоях пористого кремния
1.3 Оптические свойства щелевых кремниевых структур
1.4 Влияние свободных носителей заряда на оптические свойства кремниевых нано- и микроструктур
1.5 Комбинационное рассеяние света в кремниевых структурах. Эффект Фано
1.6 Выводы из обзора литературы и постановка задачи
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
КРЕМНИЕВЫХ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР
2.1 Основные соотношения для расчета оптических характеристик анизотропных слоев мезопористого кремния и щелевых кремниевых структур
2.2 Расчет эффективных показателей преломления и коэффициентов поглощения щелевых кремниевых структур
2.3 Расчет эффективных показателей преломления и коэффициентов поглощения анизотропных слоев мезопористого кремния
ГЛАВА 3. ИССЛЕДУЕМЫЕ ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
3.1 Образцы мезопористого кремния
3.2 Образцы щелевых кремниевых структур
3.3 Измерение коэффициентов преломления образцов в видимом и ИК диапазонах спектра
3.4 Определение коэффициентов поглощения и дихроизма пористого кремния в видимом и ИК диапазоне спектра, расчет концентрации носителей заряда
3.5 Измерение спектров комбинационного рассеяния света
ГЛАВА 4. ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ И ОПТИЧЕСКИЙ ДИХРОИЗМ В
СЛОЯХ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ
4.1 Дисперсия показателей преломления, двулучепреломления и дихроизма в слоях: пористого кремния в видимом и среднем ИК диапазоне. Влияние пористости и формы кремниевых нанокристаллов и пор на оптические свойства пористого кремния
4.2 Двулучепреломление и дихроизм в слоях пористого кремния в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне
4.3 Комбинационное рассеяние света в пористом кремнии
ГЛАВА 5. ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ В ЩЕЛЕВЫХ КРЕМНИЕВЫХ
СТРУКТУРАХ
5.1 Двулучепреломление в щелевых кремниевых структурах в широком диапазоне
5.2 Влияние свободных носителей заряда на оптическое пропускание щелевых кремниевых структур
5.3 Комбинационное рассеяние света в щелевых кремниевых структурах 97 ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1О1 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Список часто используемых сокращений и обозначений
ИК - инфракрасный
КРС - комбинационное рассеяние света
Макро-ПК - макропористый кремний
Мезо-ПК - мезопористый кремний
Микро-ПК - микропористый кремний
ПК - пористый кремний
ПЭС - приближение эффективной среды
СНЗ - свободные носители заряда
ФЗЗ - фотонная запрещенная зона
ФК - фотонный кристалл
ФЛ - фотолюминесценция
ЩКС - щелевая кремниевая структура
Ы- концентрация свободных носителей заряда с-81 - монокристаллический кремний
Актуальность работы
В связи с быстро растущими требованиями к объему и скорости передаваемой информации, актуальной задачей является разработка новых методов передачи ее гоптическим путем. Учитывая, что кристаллический кремний (с-Б^ является базовым материалом современной микроэлектроники и компьютерной техники, на повестку дня встает задача совмещения кремниевых электрических и оптических элементов в рамках одной интегральной схемы. Однако высокая изотропия линейных оптических свойств с-ограничивает возможности его использования как для решения данной задачи, так и в фотонике в целом. Выходом из ситуации может быть формирование на основе с-81 анизотропных микро- и наноструктур, которые обладают значительной оптической анизотропией, необходимой для управления светом. При этом, варьируя условия формирования можно было бы создавать анизотропные кремниевые структуры с требуемыми значениями показателей преломления и поглощения, и также величиной двулучепреломления. Кроме того, поскольку кремний является полупроводником, открывается перспектива контролируемого изменения концентрации свободных носителей заряда в его микро- и наноструктурах, что даст возможность управлять оптическими свойствами образцов. Все это обуславливает актуальность задачи по исследованию оптических свойств анизотропных кремниевых структур.
В последние годы было установлено, что можно формировать кремниевые слои с большой оптической анизотропией, используя преимущественное травление с-81 вдоль кристаллографических направлений <100> в электрохимическом или химическом процессах. Важными примерами таких анизотропно-структурированных кремниевых объектов являются так называемые пористый кремний (ПК) и щелевые кремниевые структуры (ЩКС). В частности, недавно было обнаружено, что ПК, получаемый при электрохимическом травлении монокристаллов с^ с ориентацией поверхности (110), при определенных режимах формирования обладает значительным двулучепреломлением, обусловленным анизотропией формы составляющих его кремниевых остатков (нанокристаллов) и пор. Причем, величина двулучепреломления в слоях ПК оказывается много больше, чем для известных природных двулучепреломляющих кристаллов. Еще большим двулучепреломлением могут обладать ЩКС, состоящие из чередующихся кремниевых слоев и пустот (щелей) с характерными толщинами порядка нескольких микрометров. В последнем случае двулучепреломление наблюдается в средней и дальней ИК области спектра. Наблюдаемая анизотропия оптических свойств ПК и ЩКС является проявлением хорошо известного в оптике со времен лорда Рэлея явления двулучепреломления формы. Суть данного явления состоит в модификации тензора эффективного показателя преломления среды при наличии в ней упорядоченных или квази-упорядоченных анизотропных по форме структурных элементов с характерными размерами много меньше длины волны света.
Основным достоинством оптически анизотропного ПК является то, что величиной двулучепреломления в нем можно управлять как в процессе его получения, так и при последующих обработках и воздействиях. Фактически двулучепреломляющие слои ПК представляют собой яркий пример создания новых материалов с уникальными оптическими и электронными свойствами на основе хорошо известного и изученного полупроводника при его наноструктурировании. Поскольку при определенных условиях формирования ПК представляет собой ансамбль кремниевых нанокристаллов с чрезвычайно большой удельной поверхностью, то открывается возможность управления его свойствами, в частности, концентрацией свободных носителей заряда, посредством адсорбции различных молекул. До последнего времени считалось, что в силу различных причин в ПК происходит практически полное обеднение равновесными носителями заряда. Такое обеднение хорошо объяснимо для микропористого кремния (микро-ПК) с характерными размерами нанокристаллов и пор порядка нескольких нанометров. В этом случае необходимо учитывать квантовый размерный эффект, приводящий к сильной локализации носителей заряда и росту энергии связи примесных центров. Однако, в мезопористом кремнии (мезо-ПК), для которого характерные размеры кремниевых нанокристаллов составляют более 5-10 нм, свободные носители заряда могут существовать в достаточно большом количестве см*. Концентрация свободных носителей заряда при этом сильно зависит от диэлектрического окружения и поверхностного состояния нанокристаллов. Свободные носители заряда в случае их высокой концентрации вносят существенный вклад в полную диэлектрическую проницаемость ПК. Поэтому, управляя концентрацией свободных носителей заряда с помощью адсорбции молекул, можно существенным образом влиять на оптические свойства ПК.
Целью данной работы являлось исследование в широком спектральном диапазоне оптических свойств анизотропных кремниевых наноструктур на примере слоев ПК и микроструктур на примере ЩКС для выяснения влияний их структурных особенностей и вклада свободных носителей заряда в двулучепреломление и дихроизм.
В работе были поставлены следующие задачи:
1. Исследование дисперсии показателей преломления и двулучепреломления в анизотропных слоях мезо-ПК и анализ полученных результатов в рамках модели эффективной среды.
2. Изучение зависимости величины двулучепреломления слоев мезо-ПК от их пористости и определение количественных характеристик анизотропии формы кремниевых нанокристаллов и пор в исследуемых слоях.
3. Исследование в широком спектральном диапазоне оптического пропускания образцов ЩКС и анализ полученных результатов с целью нахождения значений основных компонентов тензоров эффективной диэлектрической проницаемости и эффективного показателя преломления таких структур.
4. Изучение особенностей комбинационного рассеяния света в мезо-ПК и ЩКС для выявления роли анизотропии формы кремниевых структур и свободных носителей заряда в данном явлении.
5. Экспериментальное и теоретическое исследование влияния свободных носителей заряда на эффективные показатели преломления и коэффициенты поглощения мезо-ПК и ЩКС в ИК диапазоне спектра.
Научная новизна результатов, полученных в диссертации:
1) Экспериментально найдены законы дисперсии показателей преломления и величины двулучепреломления в анизотропных слоях мезо-ПК в видимом и ИК диапазонах спектра.
2) Установлено, что оптические свойства мезо-ПК в видимом и ИК диапазонах спектра могут быть удовлетворительно описаны в рамках обобщенной модели эффективной среды Бруггемана с учетом анизотропии формы кремниевых нанокристаллов и пор. Найдены границы применимости данной модели для описания оптической анизотропии мезо-ПК.
3) Впервые экспериментально и теоретически изучено влияние свободных носителей заряда на дисперсию показателей преломления, двулучепреломление и дихроизм в слоях мезо-ПК.
4) Впервые исследованы оптические свойства ЩКС в широком спектральном диапазоне 1-1250 мкм и найдены законы дисперсии эффективных показателей преломления и двулучепреломления таких структур.
5) Предложен и реализован оптический метод определения концентрации свободных носителей заряда в диапазоне 1017-1019 см'3 в слоях мезо-ПК по изменению эффективности комбинационного (рамановского) рассеяния света.
6) Обнаружено многократное увеличения эффективности комбинационного рамановского) рассеяния света в ЩКС при возбуждении их светом с длиной волны ~1 мкм, близкой к толщине кремниевых стенок в таких структурах.
Научная и практическая значимость работы
Полученные в работе новые результаты являются важными как для понимания фундаментальных электронных и оптических свойств анизотропных кремниевых нано- и микроструктур, так и в прикладном плане - для создания новых оптических элементов на основе кремния.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Новые данные по дисперсии показателей преломления и двулучепреломления слоев мезо-ПК в спектральном диапазоне 0.6-3 мкм и вывод о возможности их описания в рамках обобщенной модели эффективной среды Бруггемана.
2. Найденные зависимости эффективных показателей преломления, величины двулучепреломления и степени анизотропии формы кремниевых нанокристаллов и пор от величины пористости слоев мезо-ПК, изменяемой в диапазоне от 55 до 85%.
3. Утверждение о возможности многократного изменения величины двулучепреломления и ее знака в ИК диапазоне спектра в слоях мезо-ПК при увеличении в них концентрации свободных носителей заряда выше 1018 см'3.
4. Вывод о возможности описания в дальнем ИК диапазоне спектра оптических свойств ЩКС с периодом структур 4-7 мкм в рамках модели эффективной среды с учетом эффектов двулучепреломления формы.
5. Утверждение о возможности использования метода комбинационного рассеяния света для определения концентрации свободных носителей заряда в мезо-ПК.
6. Вывод о многократном увеличении интенсивности сигнала комбинационного рассеяния света в ЩКС при возбуждении их светом с длиной волны ~1 мкм, близкой к толщине кремниевых стенок в таких структурах.
Апробация работы
Результаты, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 17 работах, из которых 6 -статьи в научных журналах и сборниках (см. список публикаций) и 11 - тезисы докладов в материалах конференций. Апробация проходила на следующих конференциях: Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам, секция Физика (Ломоносов-2003), Москва, Россия 2003; IV Национальная конференция по применению Рентгеновского, Синхротронного излучений,
Нейтронов и Электронов для исследования материалов (РСНЭ-2003), ИК РАН, Москва, Россия 2003; X Международная конференция "Физика диэлектриков" ("Диэлектрики-2004"), Санкт-Петербург, Россия, 2004; 10th International Conference Nonlinear Optics of Liquid and Photorefractive Crystals, Alushta, Crimea, Ukraine 2004; 10th International Conference on Extended Defects in Semiconductors (EDS-2004), Chernogolovka, Russia 2004; 2nd International Conference on Materials Science and Condensed Matter Physics (MSCMP 2004), Chisinau, Moldova 2004; 10th Conference on Complex Media and Materials (Bianisotropics 2004), Het Pand, Ghent, Belgium 2004; VI Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектроники, Санкт-Петербург, Россия, 2004; Ломоносовские Чтения 2006 секция Физики, Москва, Россия 2006; 3d International Conference on Materials Science and Condensed Matter Physics (MSCMP 2006), Chisinau, Moldova 2006; VIII Всероссийской Молодежной Конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, Россия 2006.
Основные результаты работы опубликованы в следующих статьях:
Al. JI.A. Головань, А.Ф. Константинова, К.Б. Имангазиева, Е.Ю. Круткова, В.Ю. Тимошенко, П.К. Кашкаров "Дисперсия оптической анизотропии в пленках наноструктурированного кремния" // Кристаллография, 2004, т. 49, № 1, стр. 151156.
А2. L.A. Golovan, G.I. Petrov, V. Sheslavskiy, E.Yu. Krutkova, A.B. Fedotov, A.M. Zheltikov, P.K. Kashkarov, V.Y. Timoshenko, V.V. Yakovlev "Nonlinear optical conversion in anisotropic ID photonic crystal structures" // Proceedings of SPIE -International Society for Optical Engineering, 2004, v. 5360, pp. 427-434. A3. П.К.Кашкаров, Л.А.Головань, C.B. Заботнов, В.А. Мельников, Е.Ю. Круткова, С.О. Коноров, А.Б. Федотов, К.П. Бестемьянов, В.М. Гордиенко, В.Ю. Тимошенко, A.M. Желтиков, Г.И. Петров, В.В. Яковлев "Увеличение эффективности нелинейно -оптических взаимодействий в наноструктурированных полупроводниках" // ФТТ, 2005, т. 47, вып. 1, стр. 153-159. А4. E.Y. Krutkova, V.Y. Timoshenko, L.A. Golovan, P.K. Kashkarov, E.V. Astrova, T.S. Perova, B.P. Gorshunov, A.A. Volkov "Broad band infrared spectroscopy of grooved silicon" // Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2005, v. 5825, pp. 670-676.
A5. Е.Ю. Круткова, В.Ю. Тимошенко, Л.А. Головань, П.К. Кашкаров, Е.В. Астрова, Т.С. Перова, Б.П. Горшунов, А.А. Волков «Инфракрасная и субмиллиметровая спектроскопия щелевых кремниевых структур» // ФТП, 2006, т. 40, № 7, стр. 855— 860.
А6. G.I. Petrov, V.I. Shcheslavskiy, V.V. Yakovlev, L.A. Golovan, E.Yu. Krutkova, A.B. Fedotov, A.M. Zheltikov, V.Yu. Timoshenko, P.K. Kashkarov, E.M. Stepovich "Effect of photonic crystal structure on the nonlinear optical anisotropy of birefringent porous silicon" // Opt. Lett., 2006, v. 31, № 21, pp. 3152-3154.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
В работе были изучены оптические свойства анизотропных пленок мезопористого кремния, сформированных методом электрохимического травления сильно легированных бором пластин с-Б^ и щелевых кремниевых микроструктур, сформированных в результате анизотропного химического травления низко легированных кремниевых подложек, и выявлены основные закономерности влияния анизотропии формы составляющих исследуемые образцы структурных элементов и концентрации свободных носителей заряда на эффективные показатели преломления, двулучепреломление и дихроизм в таких системах. Были получены следующие основные результаты:
1. Измерены спектры показателей преломления анизотропных пленок мезопористого кремния и выполнен теоретический анализ, показывающий, что экспериментальные результаты для спектрального диапазона 0.6-6 мкм могут быть описаны в рамках электростатического приближения в модели эффективной среды, учитывающей анизотропию формы кремниевых нанокристаллов и пор, составляющих исследуемые образцы, а также материальную дисперсию кремниевых нанокристаллов.
2. Установлено, что при увеличении степени пористости пленок мезопористого кремния с 55 % до 85 % величина двулучепреломления, определяемая как разность значений показателей преломления для обыкновенной и необыкновенных волн, в среднем ИК диапазоне спектра при нормальном падении увеличивается с 0.08 до 0.2, что объясняется ростом анизотропии формы нанокристаллов и пор.
3. В ИК диапазоне спектра 5-50 мкм обнаружена аномальная дисперсия показателей преломления мезопористого кремния и дано объяснение полученных экспериментальных результатов в рамках приближения эффективной среды с учетом влияния свободных равновесных носителей заряда (дырок) с концентрацией более 10 1
10 см*. Установлено, что при таких концентрациях свободных носителей заряда также существенно изменяется величина двулучепреломления, включая изменение ее знака.
4. Предложен и реализован новый бесконтактный метод определения концентрации свободных носителей заряда в пленках мезопористого кремния в диапазоне 1018—1019 см*3, основанный на влиянии свободных носителей заряда на интенсивность комбинационного рассеяния света - эффекте Фано.
5. Исследованы оптические свойства щелевых кремниевых структур в широкой спектральной области 1-1250 мкм и обнаружено, что данные структуры обладают значительной величиной двулучепреломления, которая может достигать значений
0.77 в дальнем ИК диапазоне спектра, что находится в хорошем согласии с расчетами, выполненными в рамках приближения эффективной среды.
6. Обнаружено многократное увеличение интенсивности стоксовой компоненты комбинационного рассеяния света в щелевых кремниевых структурах по сравнению с подложкой с^ при возбуждении светом с длиной волны 1.06 мкм, близкой к толщинам кремниевых стенок, и дано объяснение данного эффекта на основе представлений о частичной локализации света в кремниевых стенках, выполняющих роль волноводов для падающего и рассеянного оптического излучения. * *
В заключение считаю своим приятным долгом поблагодарить моего научного руководителя профессора В.Ю. Тимошенко, а также профессора П.К. Кашкарова и доцента JI.A. Голованя за постоянное внимание и поддержку работы. Выражаю свою глубокую признательность профессору Т.С.Перовой и доцентам А.И. Ефимовой, A.B. Зотееву и JI.A. Осминкиной за многочисленные консультации, а также сотрудникам, аспирантам и студентам физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова: Д.А. Мамичеву, C.B. Заботнову, В.А. Мельникову, A.B. Лактюнькину, Ю.В. Рябчикову, A.C. Воронцову, O.A. Шалыгиной, Д.М. Жигунову, Е. Хохловой, С. Горячеву. Также благодарю профессоров A.A. Волкова, Б.П. Горшунова, А.Ф. Константинову, Е.В. Астрову за помощь в проведении экспериментов и изготовлении образцов.
1. J.E. Spanier, I.P. Herman "Use of hybrid phenomenological and statistical effective medium theories of dielectric functions to model the infrared reflectance of porous SiC films" // Phys. Rev. В., 2000, v. 61, № 15, pp. 10437-10449.
2. J.C. Maxwell Garnett "Colours in metal glasses and in metallic films" // Phil. Trans. R. Soc. Lond., 1904, v. 203, pp. 385-420.
3. Л.Д. Ландау, E.M. Лифшиц "Электродинамика сплошных сред", М.: Наука, 1982, с. 67-69.
4. Н. Looenga "Dielectric constants of heterogeneous mixtures" // Physica, 1965, v. 31, pp. 401-406.
5. D.A.G. Bruggeman "Berechnung verschiedener physicakalisher konstanten von heterogen substanzen" Ann. Phys. (Leipzig), 1935, v. 24, pp. 634-664.
6. W.L. Bragg, A.B. Pippard "The form birefringence of macromolecules" // Acta Cryst., 1953, v. 6, pp. 865-867.
7. M. Борн, Э. Вольф "Основы оптики", М.: Наука, 1973, с. 651-653.
8. Таблицы физических величин (справочник), под редакцией И. К. Кикоина. // М.:Атомиздат, 1976, с.1008.
9. A.G. Cullis, L.T. Canham, P.D.G. Calcott "The structural and luminescence properties of porous silicon" // J. Appl. Phys, 1997, v. 82, pp. 909 964.
10. W. Theiss "Optical properties of porous silicon" // Surf. Sci. Rep., 1997, v. 29, pp. 91-192.
11. O. Bisi, S. Ossicini, L. Pavesi, "Porous silicon: a quantum stronge structure for silicon based optoelectronics" // Surface Science Report, 2000, v. 38, pp. 1-126.
12. V. Lehmann, R. Stengl, A. Luigart. "On the morphology and the electrochemical formation mechanism of mesoporous silicon" // Materials Science and Engineering B, 2000, v. 6970, pp. 11-22.
13. L.T. Canham "Silicon quantum ware array fabrication by electrochemical dissolution of wafers"// Appl. Phys. Lett., 1990, v. 57, n. 10, pp. 1046-1048.
14. M.E. Компан, Я. Салонен, И.Ю. Шабанов "Аномальное двулучепреломление света в свободных пленках пористого кремния" // ЖЭТФ, 2000, т. 117, № 2, с. 368-374.
15. О.Г. Сарбей, Е.К. Фролова, Р.Д. Федорович, Д.Б. Данько "Двулучепреломление пористого кремния" // ФТТ, 2000, т. 42, вып. 7, с. 1205-1206.
16. D. Kovalev, G. Polisski, J. Diener, H. Heckler, N. Ktinzner, V.Yu. Timoshenko, F. Koch "Strong in-plane birefringence of spatially nanostructured silicon" // Appl. Phys. Lett., 2001, v. 78, №24, pp. 916-918.
17. N. Kiinzner, D. Kovalev, J. Diener, E. Gross, V.Yu. Timoshenko, G. Polisski, F. Koch, M. Fujii "Giant birefringence in anisotropically nanostructured silicon" // Opt. Lett., 2001, v. 26, pp. 1265-1268.
18. Л.П. Кузнецова, А.И. Ефимова, JI.А. Осминкина, Л.А. Головань, В.Ю. Тимошенко, П.К. Кашкаров "Исследование двулучепреломления в слоях пористого кремния методом инфракрасной Фурье-спектроскопии" // ФТТ, 2002, т. 44, вып. 5, с. 780-784.
19. Е. Gross, D. Kovalev, N. Kiinzner, V.Yu. Timoshenko, J. Diener, F. Koch "Highly sensitive recognition element based on birefringent porous silicon layers" // J. Appl. Phys., 2001, v. 90, № 7, pp. 3529-3532.
20. V.Yu. Timoshenko, L.A. Osminkina, A.I. Efimova, L.A. Golovan, P.K. Kashkarov, D. Kovalev, N. Kunzner, E. Gross, J. Diener, and F. Koch "Anisotropy of optical absorption in birefringent porous silicon" // Phys. Rev. B, 2003, v. 67, pp. 113405-113411.
21. М.И. Страшникова "Об измерении дисперсии показателя преломления пористого кремния" // Оптика и спектроскопия, 2002, т. 93, с. 142-145.
22. Л.А. Головань, П.К. Кашкаров, В.Ю. Тимошенко, A.M. Желтиков "Генерация оптических гармоник в наноструктурах пористых полупроводников" // Вестник МГУ, Сер 3. Физика. Астрономия, т. 16, с. 31-40 (2005).
23. A.N. Starukhin, А.А. Lebedev, B.S. Razbirin, and I.M. Kapitonova, Sov. Tech. Phys. Lett., 1992, т. 18, c. 535.
24. A.B. Андрианов, Д.И. Ковалев, H.H. Зиновьев, И.Д. Ярошецкий "Аномальная поляризация фотолюминесценции пористого кремния" // Письма в ЖЭТФ, 1993, т. 58, вып. 6, с. 417-420.
25. P. Lavallard and R.A. Suris "Polarized photoluminescence of an assembly of non cubic microcrystals in a dielectric matrix" // Solid State Commun., 1995, v. 95, № 5, p. 267-269.
26. D. Kovalev, M. Ben-Chorin, J. Diener, F. Koch, Al.L. Efros, M. Rosen, M.A. Gippius, and S.G. Tikhodeev "Porous Si anisotropy from photoluminescence polarization" // Appl. Phys. Lett., 1995, v. 67, p. 1585-1587.
27. M. Chamarro, C. Gourdon, and P. Lavallard "Photoluminescence polarization of semiconductor nanocrystals" // J. Lumin., 1996, v. 70, issue 1-6, p. 222-237.
28. D. Kovalev, H. Heckler, G. Polisski, F. Koch "Optical Properties of Si Nanocrystals" // Phys. Stat. Sol. (b), 1999, v. 215, pp. 871-932.
29. Т.В. Долгова, А.И. Майдыковский, М.Г. Мартемьянов, А.А. Федянин, О.А. Акципетров "Гигантская третья гармоника в фотонных кристаллах и микрорезонаторах на основе пористого кремния" // Письма в ЖЭТФ, 2002, т. 75, вып. 1, с. 17-21.
30. J. Diener, N. Kiinzner, D. Kovalev, E. Gross, V.Yu. Timoshenko, G. Polisski, and F. Koch "Dichroic Bragg reflectors based on birefringent porous silicon" // Appl. Phys. Lett., 2001, v. 78, №24, pp. 3887-3889.
31. О.А. Акципетров, Т.В. Долгова, И.В. Соболева, А.А. Федянин "Анизотропные фотонные кристаллы и микрорезонаторы на основе пористого кремния" // ФТТ, 2005, т. 47, вып. 1, с. 150-152.
32. An-Shyang Chu Saleem Н. Zaidi, and S. FL J. Bruecka "Fabrication and Raman scattering studies of one-dimensional nanometer structures in (110) silicon" // Appl. Phys. Lett., 1993, v. 63, № 7, pp. 905-907.
33. D.L. Kendall "Vertical etching of silicon at very high aspect ratios" // Ann. Rev. Mater. Sci., 1979, v. 9, pp. 373-403.
34. В.А. Толмачев, Л.С. Границына, Е.Н. Власова, Б.З. Волчек, А.В. Нащекин, А.Д. Ременюк, Е.В. Астрова "Одномерный фотонный кристалл, полученный с помощью вертикального анизотропного травления кремния" // ФТП, 2002, т. 36, вып. 8, с. 996-1000.
35. Е.В. Астрова, T.S. Perova, В.А. Толмачев, А.Д. Ременюк, J. Vij, A. Moore "Двулучепреломление инфракрасного света в искусственном кристалле, полученном с помощью анизотропного травления кремния" // ФТП, 2003, т. 37, вып., с. 417-421.
36. F. Genereux, S.W. Leonard, H.M. van Driel, A. Birner and U. Gösele "Large birefringence in two-dimensional silicon photonic crystals" // Phys. Rev. В., 2001, v. 63, pp. 161101-1161101-4.
37. V. Tolmachev, T. Perova, and K. Berwick "Design criteria and optical characteristics of one-dimensional photonic crystals based on periodically grooved silicon" // Appl. Opt., 2003, v. 42, № 28, pp. 5679-5683.
38. V. Lehmann, F. Hofmann, F. Möller, U. Grüning "Resistivity of porous silicon: a surface effect" // Thin Solid Films, 1995, v. 255, № 1, pp. 20-22.
39. G. Polisski, D. Kovalev, G.G. Dollinger, T. Sulima, F. Koch "Boron in mesoporous Si -Where have all the carriers gone?" // Physica B, 1999, v. 273-274, pp. 951-954.
40. V.Yu. Timoshenko, Th. Dittrich, F. Koch "Infrared free carrier absorption in mesoporous silicon" // Phys. Stat, sol (b), 2000, v. 222, pp. R1-R2.
41. V.Yu. Timoshenko, Th. Dittrich, V. Lysenko, M.G. Lisachenko, F. Koch "Free charge carries in mesoporous silicon" // Phys. Rev. B, 2001, v. 64, pp. 085314-085321.
42. Landolt-Börnstein, Numerical Data in Science and Technology // Group 3, 1982, v. 17, Subvolume A, p. 43.
43. Ю. А. Петров. Физика малых частиц, 1982, Н.: Москва, с.360
44. B.JI. Бонч-Бруевич, С.Г. Калашников. Физика полупроводников, 1990, М.: Наука.
45. Ю.И. Уханов. Оптические свойства полупроводников, 1977, М.: Наука.
46. К.В. Шалимова. Физика полупроводников, 1985, М.: Энергоатомиздат.
47. П.К. Кашкаров, Б.В. Каменев, Е.А. Константинова, А.И. Ефимова, A.B. Павликов, В.Ю. Тимошенко "Динамика неравновесных носителей заряда в кремниевых квантовых нитях " //УФН, 1998, т, 168, с. 577.
48. П.К. Кашкаров, Е.А. Константинова, В.Ю. Тимошенко "Механизмы влияния адсорбции молекул на рекомбинационные процессы в пористом кремнии" // ФТП, 1996, вып. 30, стр. 1479-1489.
49. Ф.Ф. Волькенштейн. Электронные процессы на поверхности полупроводников при хемосорбции, 1987, М.: Наука.
50. В.Ф. Киселев, О.В. Крылов. Электронные явления в адсорбции и катализе на полупроводниках и диэлектриках, 1979, М.: Наука.
51. L. Boarino, С. Baratto, F. Geobaldo, G. Amato, E. Comini, A. M. Rossi, G. Faglia, G. Lerondel, G. Sberveglieri "NO2 monitoring at room temperature by a porous silicon gas sensor" // Mat. Sci. Engin. B, 2000, v. 69-70, pp. 210-214.
52. L. Boarino, F. Geobaldo, S Borini, E. Comini, A. M. Rossi, P. Rivolo, M. Rocchina, E. Garrone, G. Amato "Local environment of Boron impurities in porous silicon and their interaction with N02 molecules" // Phys. Rev. B, 2001, v. 64, pp. 205308.
53. M. Кардона, Рассеяние света в твердых телах, 1979, М.:Мир, с.379.
54. H.J. Stolz, G. Abstreiter "Raman spectroscopy as a surface sensitive technique on semiconductors" // J. Vac. Sci. Tech., 1981, v. 19 issue 3, pp. 415-418.
55. JI.A. Головань, A.B. Зотеев, П.К. Кашкаров, В.Ю. Тимошенко "Исследование пористого кремния методами комбинационного рассеяния света и генерации второй гармоники" // Письма в ЖТФ, 1994, т. 20, вып. 8, сс.37^1
56. Jian Zi, Н. Buscher, С. Falter, W. Ludwig, Kaiming Zhang, Xide Xide "Raman shifts in nanocrystals" // Appl. Phys. Lett., 1996, v. 69, issue 2, pp. 200-202.
57. I.H. Cambel, P.M. Fauchet "The Effect of Microcrystal Size and Shape on the One Phonon Raman Spectra of Crystalline Semiconductors" // Solid State Comm., 1986, v. 58, pp.739743.
58. C.A. Ахманов, С.Ю. Никитин. Физическая оптика, 2004, М.: Наука.
59. А. Ярив, П. Юх. Оптические волны в кристаллах, 1987, М: Мир.
60. П. Ю, М. Кардона. Введение в физику полупроводников, 2002, М,: Физматлит, с. 440
61. Ingrid De Wolf "Raman spectroscopy: about chips and stress" // J. Spectroscopy Europe, 2003, v. 15, issue 2, pp. 6-13.
62. P.A. Temple, C.E. Hathaway "Multiphonon Raman Spectrum of Silicon" // Phys. Rev. B, 1973, v. 7, pp. 3685-3697.
63. T.R. Hart, R.L. Aggarwal, Benjamin Lax "Temperature Dependence of Raman Scattering in Silicon" // Phys. Rev. B, 1970, v. 1, pp. 638-642.
64. B. Jalali, R. Claps, D. Dimitropoulos, V. Raghunathan "Light Generation, Amplification and Wavelength Conversion via Stimulated Raman Scattering in Silicon Microstructures" // Silicon Photonics, Topics Appl. Phys., 2004, v. 94,199-239.
65. К. Mizoguchi, S. Nakashima "Determination of crystallographic orientations in silicon films by Raman-microprobe polarization measurements" // J. Appl. Phys., 1989, v. 65, pp. 2583-2590.
66. F. Cerdeira, T. Fjeldly, M. Cardona "Effect of Free Carriers on Zone-Center Vibrational Modes in Heavily Doped p-type Si. II. Optical Modes" // Phys. Rev. B, 1973, v. 8, pp.4734-4745.
67. М.Г. Лисаченко, E.A. Константинова, В.Ю. Тимошенко, П.К. Кашкаров "Особенности рекомбинации неравновесных носителей заряда в образцах пористого кремния с различной морфологией наноструктур" // ФТП, 2002, т. 36, вып. 3, сс.344-348.
68. А.Н. Образцов, В.А. Караванский, X. Окуши, X. Ватанбе "Поглощение света и фотолюминесценция пористого кремния" // ФТП, 1998, т. 32, № 8, сс.1001-1005.
69. М.Е.Компан, В.Б.Кулик, И.И.Новак, Я.Салонен, А.В.Субашиев "Аномальная поляризация спектров рамановского рассеяния света пористым кремнием" // Письма в ЖЭТФ, 1998, т. 67, вып. 2, с. 95-100.
70. С.П. Зимин "Пористый кремний материал с новыми свойствами" // Соросовский образовательный журнал, Физика, 2004, т. 8, № 1, сс. 101-107.
71. I. Gregora, В. Champagnon, L. Saviot, Y. Monin "Anisotropic and polarization effects in Raman scattering in porous silicon" //Thin Solid Films, 1995, v. 253, pp. 139-142.
72. E.M. Воронкова, Б.Н. Гречушников, Г.И. Дистлер. Оптические материалы для инфракрасной техники. IIМ: Наука, 1965, с. 332.
73. А.Ф. Константинова, Б.Н. Гречушников, Б.В. Бокуть, Е.Г. Валяшко. Оптические свойства кристаллов. II Минск: Наука и техника, 1995, с. 302.
74. Н. Нага, Y. Nishi "Free carrier absorption in p-type silicon" // J. Phys. Soc. Jpn., 1966, v. 21, p. 1222.
75. W. Spitzer, H.Y. Fan "Infrared Absorption in n-type silicon" // Phys. Rew., 1957, v. 108, №2, pp. 268-271.
