Технология и оптические свойства фотонно-кристаллических структур на основе макропористого кремния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

Ли Галина Викторовна

ТЕХНОЛОГИЯ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФОТОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ МАКРОПОРИСТОГО КРЕМНИЯ

Специальность 01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Г 2(113

............... _„ Санкт-Петербург-2013

005536778

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе Российской Академии наук

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник ФТИ им. А. Ф. Иоффе Е. В. Астрова

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор,

ведущий научный сотрудник ФТИ им. А. Ф. Иоффе А. В. Селькин

кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией нано- и микросистемной техники Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургского государственного

политехнического университета» Е. Н. Пятышев

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

Защита состоится « 21 » ноября 2013 г. в 10 час. 00 мин.

на заседании диссертационного совета Д 002.205.02 при ФТИ им. А. Ф. Иоффе по адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФТИ им. А. Ф. Иоффе.

Отзывы об автореферате в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан « 16 » октября 2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Данная диссертационная работа посвящена разработке методов получения высокоаспектных одномерных (1Б) и двумерных (2Б) периодических структур с помощью фотоэлектрохимического травления (ФЭХТ) кремния и исследованию их оптических свойств. Актуальность темы связана с широкими перспективами использования таких кремниевых структур в качестве Ш и Ю фотонных кристаллов (ФК). Развитие науки о ФК и их практических приложениях во многом определяются возможностями технологии. Бурный интерес к этим искусственным средам в последние десятилетия напрямую связан с технологическим прогрессом, уменьшением периода ФК и переходом в оптический диапазон электромагнитных волн. Особое место занимают структуры с фотонной запрещённой зоной на кремнии, основном элементе современной полупроводниковой микроэлектроники. Главным направлением развития микроэлектроники является увеличение объема и скорости передаваемой информации. Обработка информации внутри чипа может осуществляться как с помощью оптических элементов, так и в сочетании с электронными компонентами (кремниевая микрофотоника). В последнем случае фотонные элементы интегрированы в чип, а свет в них распространяется в плоскости пластины. Управление оптическими потоками способно существенно увеличить скорость обработки информации. Таким образом, детальное изучение технологических процессов получения различных структур на основе кремниевых ФК и их взаимосвязи с оптическими свойствами определяют актуальность настоящего исследования.

Цель диссертационной работы состоит в исследовании возможностей метода ФЭХТ кремния, дополненного другими технологическими процессами микроэлектроники, для формирования ФК структур среднего ИК диапазона.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи: 1. Изучить закономерности образования периодических щелевых структур с помощью ФЭХТ.

2. Исследовать оптические характеристики 1Б ФК на основе этих щелевых структур.

3. Разработать технологию получения 2В ФК с конечным числом периодов.

4. Провести теоретические и экспериментальные исследования оптических свойств таких 2Б ФК структур.

5. Создать структуру перестраиваемого микрорезонатора (МР) на основе композита кремний - жидкий кристалл (ЖК).

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Сформулированы условия получения периодических щелевых структур в процессе ФЭХТ.

2. Установлены основные закономерности получения 2Э структур с конечным числом периодов путем совместного формирования макропор и щелей на одной подложке.

3. Определена зависимость неровности стенок Ш и 2Б периодических структур от геометрических параметров рисунка затравок и нормированной плотности тока травления р]РБ. Исследовано влияние последующих обработок на величину неровности.

4. Изучено влияние рассеяния света внутри Ш и 2Б структур на оптические свойства ФК, полученных с помощью ФЭХТ.

5. Исследованы особенности оптических характеристик структур 20 ФК и определена роль приграничных слоев ФК в формировании поверхностных состояний.

6. Предложена конструкция и изготовлена структура композитного МР на основе кремний-ЖК. Исследованы его оптические характеристики и сформулированы условия получения электроуправляемого устройства.

7. Теоретически и экспериментально исследованы поверхностные состояния Тамма в структуре Ю ФК с несимметричными границами.

Научная и практическая значимость. Изучены физико-химические процессы формирования кремниевых 1Б ФК и 20 ФК с малым числом периодов и

микрорезонатора на их основе. Проанализированы и систематизированы фак-

4

торы, влияющие на оптические характеристики реальных структур на основе

макропористого кремния.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Ш ФК может быть получен с помощью ФЭХТ на поверхности которого сформированы затравочные центры в виде периодических канавок. Существуют определенные условия образования высокоаспектных щелевых структур. Структуры с наиболее гладкими стенками можно получить при оптимальных значениях периода затравок и тока анодирования, зависящих от удельного сопротивления п-Б1 и критической плотности тока

2. Полоска 2Б ФК с вертикальными стенками и малым числом периодов может быть изготовлена методом одновременного ФЭХТ макропор и щелей. Оптимальные условия формирования Ю ФК полосок с гладкими боковыми стенками и минимальным искажением решетки макропор вблизи щелей определяются геометрическими параметрами рисунка затравочных центров и нормированной плотностью тока ФЭХТ }/}р$.

3. Резонансные моды в фотонных стоп зонах (ФСЗ) полоски 2Б ФК, полученного одновременным травлением макропор и щелей, обусловлены поверхностными фотонными состояниями Таммовского типа и проявляются на экспериментальных спектрах отражения в виде глубоких низкодобротных провалов. Их появление и спектральное положение зависят от толщины не-модулированного интерфейсного слоя кремния на внешних границах ФК.

4. Рэлеевское рассеяние света на поверхности макропор и щелей оказывает существенное влияние на оптические характеристики ФК структур. Увеличение интенсивности рассеяния приводит на спектрах отражения к увеличению амплитуды поверхностных состояний и уменьшению амплитуды дефектных мод. Различие спектров отражения при освещении с разных сторон полоски 20 ФК с несимметричными границами также обусловлено потерями на рассеяние.

5. Электроуправляемый МР для среднего ИК диапазона может быть изготовлен на основе композитной структуры 2Т> ФК с помощью ФЭХТ. Он состо-

5

ит из узкой полоски макропористого кремния, в центре которой расположен дефект в виде щели, заполняемой нематическим жидким кристаллом. Интерфейсные слои такой структуры должны быть достаточно тонкими, а число периодов в Брэгговских зеркалах по обе стороны от дефекта не должно быть больше трех.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях: V и VI М/н конференций молодых ученых и специалистов «0птика-2007» и «Оптика - 2009» (С.-Петербург, Россия, 2007 и 2009); XIII М/н Симпозиум Нанофизика и Наноэлектроника (Н.Новгород, Россия, 2009); 5th Kurt Schwabe symposium. From corrosion to semiconductors. (Erlangen, Germany, 2009); XIII, XIV and XV International Conference "Gettering and Defect Engineering in Semiconductor Technology (GADEST)" (Dolnsee-Schorfheide, Germany, 2009; Loepersdorf, Austria, 2011; Oxford, United Kingdom, 2013); М/н конференция «Микро- и наноэлектроника 2009» (Звенигород, Россия, 2009); 33rd and 35rd Annual Symposium of Microscopical Society of Ireland (Dublin, Ireland, 2009 and 2011); Intel European Research and Innovation Conference 2009 and 2011 (Intel-Lexlip, Ireland, 2009 and 2011); 7th and 8th International Conference on Porous Semiconductors Science and Technology - PSST 2010 and PSST 2012 (Valencia, Spain, 2010; Malaga, Spain, 2012); VII, VIII и IX м/н конференции по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе: Кремний-2010, Кремний-2011, Кремний-2012 (Н.- Новгород, Россия, 2010; Москва, Россия, 2011; С.-Петербург, Россия, 2012); Photonics Ireland Conference 2011 (Malahide, Ireland, 2011); SPIE Photonics West (San Francisco, USA, 2011); XI Российская конференция по физике полупроводников (С.-Петербург, Россия, 2013).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 13 статьях, из них 12 статьей в ведущих рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК РФ [А1-А12]. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Личный вклад автора. Автором были разработаны ФК структуры: спроектированы шаблоны и изготовлены образцы. Проведены исследования законо-

6

мерностей формирования щелевых структур в процессе ФЭХТ и возможностей сглаживания их стенок. Предложена и разработана технология формирования узких полосок 20 ФК и перестраиваемого МР. Проанализированы оптические характеристики полученных структур и рассчитаны спектры наилучшим образом совпадающие с экспериментом. Проведены численные эксперименты и определено влияние поверхностных состояний и рассеяния на оптические спектры реальных структур.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка публикаций автора и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 183 страницы, включая 135 рисунков, 91 формулу и 16 таблиц. Библиография включает 198 наименований на 15 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проведенных исследований, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, перечислены основные положения, выносимые на защиту, приведен список конференций, на которых были изложены основные результаты диссертации, отражен личный вклад автора и его благодарности, а так же кратко описана структура диссертации.

Первая глава работы посвящена обзору литературы по ФК, различным дефектам в их решетке и возможностям перестройки ФСЗ или локализованного состояния в ней. Основное внимание уделено кремниевым ФК, отражено современное состояние технологии их получения. Подробно рассмотрен метод ФЭХТ кремния п-типа [1], который позволяет получать высокоаспектные ФК структуры на основе макропористого кремния со строгой периодичностью. Долгое время этот метод позволял получать только Ю решетки макропор. Получение структур различной геометрии: меандров, спиралей, полых трубок, столбиков, щелей и т.д., продемонстрированное в работе [2], значительно расширило возможности данного метода [3, 4]. Проанализированы различные виды обработки макропористого кремния после анодирования и способы форми-

7

рования микроструктур с вертикальными стенками. Определен ряд нерешенных проблем в этой области, которые отражены в цели данной диссертационной работы и поставленных задачах.

Во второй главе приводится описание использованных в работе методик эксперимента и расчета. Рассмотрены основные технологические операции и применение анизотропного травления (AT) для создания различных затравочных центров на исходных пластинах w-Si ориентации (100) с помощью стандартных методов фотолитографии, в результате которых на пластинах образовывались линейные V - образные канавки, либо точечные центры нуклеации (рис. 1).

Описана автоматизированная установка фотоэлектрохимического травления SiPor фирмы Etch & Technology. Для травления использовался водный раствор HF с концентрацией CHf =1.4-6 % (вес.) и добавлением 5 % С2Н5ОН. Температура травления варьировалась от 20-25°С. Травлению подвергалась центральная часть образца диаметром 18 мм при плотности тока травления j=6-31 мА/см2 и разности потенциалов на границе кремний-электролит ¿7=1—2 В. При этом средняя скорость травления составляла Vsi = 0.8 мкм/мин. Глубина травления варьировалась от/ = 50- 350 мкм.

Рассмотрены методы получения сквозных мембран: механическое удаление подложки, стравливание подложки в щелочи и электрохимическая полировка в процессе травления, их преимущества и недостатки. Описаны методики измерений с помощью сканирующего электронного (СЭМ) и атомносилового микроскопов (АСМ).

Исследование оптических свойств ФК структур осуществлялось с помощью Фурье-спектрометра FTIR Digilab 6000, оснащенного ИК микроскопом UMA 500 с прямоугольной апертурой. Свет направлялся на боковую стенку структу-

8

Рис. 1 Схематичное изображение поперечного сечения затравочных центров: линейных для щелей и точечных для макропор

ры в направлении 7. (рис. 2). Линейные размеры аиергуры варьировались от 20 до 200 мкм. Измерения выполнялись в диапазоне частот 650-6500 см ' (х=!5—1.5 мкм) с разрешением 8 см . При проведении поляризационных измерений ТМ -поляризации света соответствовал вектор электрическою поля световой волны £, направленным вдоль оси пор. а ТЕ-поляризации - перпендикулярно ей. т.е. в плоское I и образца.

Для расчета спектров отражения и пропускания 10 ФК был использован метод матрицы переноса [5]. При этом модель Ю ФК представлялась в виде периодических слоев с высоким и низким (воздух) показателем преломления. Оптические характеристики 2Э ФК струкгур рассчитывались методом матрицы Рис. 2 Двух- (а) и трсх-(Ь) рассеяния [6. 7]. Были использованы две моде- компонентные модели 2П> ФК, ли 20 ФК в виде воздушных цилиндров рас- используемые для расчета ме-предслснных в кремниевой матрице: двухком- тодом маФи,1Ь1 рассеяния понентная (рис. 2а) и трехкомпонентная (рис. 2Ь). Спекфы отражения н пропускания идеальной структуры рассчитывались по двухкомпонентной модели при к=0, где к - коэффициент экстинкцин. В реальных структурах имеются потери, связанные с Релеевским рассеянием света на стенках пор и шелей, которые учитывали путем введения комплексного показателя преломления. Для согласия теоретических и экспериментальных спектров использовалась либо двухкомнонентная модель при к?0, когда комплексный показатель преломления приписывался всему кремнию, либо трехкомпонентная модель, в которой он приписывался только тонкому слою вокруг пор толщиной АЛ. Расчеты обычно проводились для нормального угла падения света (<р~0а). При анализе

9

экспериментальных спектров для наилучшего совпадения угол варьировался в пределах 0° < <р < 30°.

Тре1м» пана посвящена технологии получения Ш ФК с помощью ФЭХТ кремния и исследованию их оптических свойств. Эксперименты проводились на п-8|(100) с удельным сопротивлением 5 и 15 Омсм. Одновременно травились зоны, имеющие разный период затравочных канавок. Период затравок варьировался в диапазоне <7*4-13 мкм. а плотность тока анодирования составляла /^ю"0.14-0.84, где - критическая плотность тока, соответствующая переходу от порообразования к электрополировкс. Величина у>\ зависит только от концентрации НР в электролите и его температуры [8]. Поскольку зарождение макропор происходит вдоль дна затравочных канавок на среднем расстоянии друг от друга Лц то слияние отдельных пор в единую щель происходит при А/!<({, где </- средний диаметр дискретных пор. Для кремния с удельным сопротивлением р -5 Ом см </» 1.8 мкм, а для р = 15 Ом см 3.0 мкм. Как видно из

Рис. 3 (а) Образование щелей в зависимости от относительной плотности тока ¡/}к и периода затравок а на кремнии с р-15 Ом см; (Ь, с и (1) СЭМ изображение поперечного сечения щелевых структур с периодом, соответственно, 4, 6 и 7 мкм. полученных на кремнии с р= 5 Ом см приУ#м=0.66.

10

1 Зьскрл/пьые поры i ■ d J'J„« 74 a • i • IV Оораюванив стоитых щвмЛ nd -

•л H г

II Зискр*тны» поры . nd 4 a V Сслажиеание стенок nd ... -d -~<J/Jps<2-4 о а ——

Граница слияния . nd 4 a ••••••••• Образование двойного

111 >1»МИ» VI ряда пор ^ j/jps>l- а

Рис. 4 Схема, поясняющая условия слияния нор в щели (идеализированная картина, игнорирующая случайный характер расположения пор вдоль рядов)

рис. За, 'лог процесс очень чувствителен к периоду загравочных канавок а и относительной плотности тока j/jrs- Диамегр пор на дне щели также стремится к -лому характерному значению (рис. ЗЬ-d), что наблюдается, если ширина щели w¿>2d. Таким образом, налицо стремление системы к такой самоорганизации, при которой 1раница кремний-электролит имеет определенный радиус кривизны. Пористость постоянна но всей площади образца, независимо от рисунка затравок, и согласно (8], определяется отношением p=j/jrs=consL Учитывая. что для дискретных пор p-juf/4a Ар. то для Ац-d находим фаничнос условие образования шели j/jn" nd'4a. Порно ос ib щелевой структуры p^wja, откуда следует, что при ширине щели w,-2d, критерием образования двойного ряда пор является усло-вис j/jps~ 2d/a.

Схема формирования периодических щелевых оруктур приведена на рис. 4. Па ней показано, как и при каком условии по мере

1.0 0.9 о.в 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0

П*

О 7Bb<¿ j

О он

i; -дискретные пары 2* двойной ряд пор

♦ еллехииые щкпи а не полностью сросшиеся поры

0 1 2 3 4 5 6 7 В » 10 11 12 13 14 а. мкм

Рис. 5 Зависимость плотности тока j/jps от периода затравок, необходимою для слияния дискретных пор в щели.

увеличения плотности тока анодирования дискретные поры сливаются и как происходит двойникованис (формирование щели из двойною ряда пор). На рис. 5 приведены 2 расчетные кривые, соответствующие границе слияния ///>х=0.785<#а и двойникования )/)к="Ы/а для п-Б! с р=\Ь Омсм, для которою характерны макропоры диаметром </=3.0±0.1 мкм. Закрашенная область между ними соответствует условию образования щелей без двойникования. На этот же график нанесены экспериментальные точки. Представлении': данные свидетельствует о хорошем согласии эксперимента со сформулированными критериями.

Стенки, щелевых структур, полученных ФЭХТ, характеризуются гофрированной поверхностью, обусловленной следами сросшихся макропор (рис. 7<1-Г). Наиболее выраженная шероховатость наблюдается при не полиостью сросшихся норах, при образовании щелей из двойного ряда пор и при значительном отклонении периода затравок от а. а представляет собой среднее расстояние между соседними порами в неупорядоченной решетке. Его можно найти с помощью мнемонического правила: а^Зависимость среднеквадратичной неровности стенок от плотности тока носит немонотонный характер (рис. 6). Наиболее гладкие стенки с минимальным г 40 им образуются в области токов 0.34 </£«< 0.44. Шероховатость стенок можно уменьшить используя дополнительную обработку с помошью АТ и/или термического окисления с последующим снятием окисла. Структура Ю ФК, полученная при оптимизированных условиях, показана на рис. 7.

12

Рис. 6 Зависимость RMS от нормированной плотности тока j/jK для щелевых структур с периодом о»7 и 9 мкм. Исходный кремний: рт 15 Ом см.

(а) (с) (с») (О

Рис. 7 СЭМ изображение 10 структуры с периодом а т 7 мкм, полученный при

Р3пл 0.41 на п-Я! с р = 15 Ом-см: а) сечение поперек шелей; Ь и с) - увеличенное изображение его верхней и нижней части; с1) сечение вдоль шелей; с и Г) -увеличенное изображение верхней и нижней части стенки.

Исследование оптических характеристик полученных шслсвых струк«ур показало, что они являются хорошими 11) ФК для свста распространяюшсгося перпендикулярно Б! стенкам в плоскости подложки. Рис. 8 демонстрирует области высокого отражения (95%). соответствующее ФСЗ 2-4 порядков и хорошую модуляцию отражения в длинноволновой области.

В четверти главе рассматривается получение 20 ФК полоски с конечным числом периодов, для чего нспользова-

Длнил волны, мкм Рис. 8 Экспериментальные (толстая) и расчетные (тонкая) спектры отражения (а) и пропускания (Ь) I [) ФК с периодом а-1 мкм

лось одновременное формирование макропор и щелей на подложке. Метод заключается в том. что замкнутый контур щелей определяет прямоугольные области образца, подлежащие удалению (рнс.9) [4]. После сошлифовкн или стравливания подложки эти жертвенные области удалялись из образца, оставляя тонкую полоску ФК. Полученный образец, состоящий из 11 рядов макропор, организованных в тригональную решетку, С периодом я=3.75 мкм показан на рис. 10. Введение щелей в решетку макропор нарушает порядок периодической структуры и приводит к перераспределению локальной плотности тока в процессе травления, что изменяет размер и форму пор рядом со шелыо (эффект близости). Экспериментальные исследования показали, что расстояние между затравочной канавкой для шели и центром ближайших к ней рядов пор должно быть близко к постоянной 2D решетки а. Слишком малое рассюяние может привести к неполному срастанию пор в щель или к де( радаппи щели С глубиной, а слишком большое - к широкой шели с сильно гофрированными стенками.

Исследование методом АСМ неровности стенок полученных 2D ФК структур в зависимости от плотности тока травления показало, что наименьшая шероховатость достигается при j/jnr0.4.

Особенностью 2D ФК структур, полученных одновременным ФЭХТ макропор и щелей, является наличие кремниевого прсдслоя на границе воздух-ФК, толщиной и' (рис. 11а). Данный прсдслой является дефектом

поры удаляемые области

Рис. 9 Схема получения полосок 2D ФК

Рис. 10 СЭМ снимок полоски 2D ФК, вырезанной вдоль направления Г-К.

ТЕ пи три шипя ТМ попри шпик

Рис. 11 Схематическое изображение прсдслоя на границе 20 ФК полоски (а) и карты коэффициента отражения 20 ФК полоски, состоящей из 11 рядов пор, для ТЕ и ТМ поляризаций при г/а= 0.45 и £=0.001 (Ь).

в решетке ФК и при определенных условиях может приводить к появлению поверхностных состояний (тина Тамма) в ФСЗ [9, 10, 11).

На рис. 11 приведены расчетные зависимости коэффициента отражения, определяющие спектральное положение и амплитуду поверхностной молы в стоп зонах полоски 20 ФК в зависимости от толщины прсдслоя и». Эти зависимости для ТЕ (ТМ) поляризации можно разделить на три (четыре) области но количеству поверхностных мод в области ФСЗ. Отсутствие поверхностных мод в фотонных стоп зонах наблюдается при и<0.55а для ТЕ поляризации и н<0.30а для ТМ поляризации (области I на рис. 11Ь). Для структуры с и=0.62д были проведены расчеты ближнепольного распределения электромагнитного поля, которые демонстрируют картину, характерную для стоячей волны и подтверждают заключение о том, что эти моды являются поверхностным состояниями типа Тамма 19].

На экспериментальном спектре отражения, приведенном на рис. 12а, хорошо виден глубокий провал, обусловленный эгим поверхностным состоянием. Амплитуда поверхностною пика на спектрах отражения и пропускания идеаль-

Рис. 12 Экспериментальные (а, с) и расчетные (Ь, (1) спектры отражения м пропускания 2Э ФК полоски (фактор заполнения г/а= 0.47; и- -0.62а) для свега ТЕ поляризации. На (Ь, (1) пунктиром обозначен расчет по идеальной модели, а сплошными линиями но трехкомпонентной модели (ДЛ = 0.4 мкм, к = 0.031).

ной структуры имеет исчезаюшс малую амплитуду (~10 7). Согласие между

-жепериментальными и расчетными зависимостями (рис. 12) удалось достичь при учете потерь на рассеяние. Ею наличие приводит к сушесгеенному увеличению амплитуды поверхностною пика на спектре отражения. Чтобы ФСЗ полоски 2П ФК не содержала поверхностного состояния, толщина предслоя и' должна бьиь мала. Однако технология одновременного ФЭХТ пор и щелей так же накладывает свои ограничения на величину предслоя: н'>г. Таким образом, с учетом технологии, для структур с фактором заполнения г/а =0.45 отсутствию поверхностных состояний в первой ФСЗ соответствует условие 0.45а < и- < 0.55а (ТЕ ноляризациия) и 0.45а < и1 < 0.72а (ТМ поляризация).

Пшаи пава посвящена технологии

изолируемая подлома

X 1.0-

/

"Л

I ^

■дефепим дкш

I попсы [ пооер . йоды

0.15

а/л

(Ь)

погожем« лооерхноспли йоды

У - 1 69 — 11^4 49

М

0.40

Рис. 13 Структура устройства элсктроперсстраиваемого МР на основе макропористого кремния со щелевым дефектом (а) и сдвиг дефектной моды при изменении (Ь).

формирования и свойствам композитной структуры МР на основе кремниевой полоски 21) ФК с дефектом в виде щели, заполненной ЖК. Схема микрорезонатора показана на рис. 13а. При приложении внешнего элекгрн чес кого ноля появляется возможность перестройки частоты дефектной моды за счет изменения показателя преломления ЖК. Предварительные опенки показали, что сдвиг частоты МР за счет элсктрооптического эффекта может достигать 6% (рис. 1ЗЬ).

Структура МР (рис. 14) изготавливалась по той же технологии, что н узкая полоска 2П) ФК. Исследование экспериментальных спектров отражения и пропускания структуры МР (рис. 15) с пустой и заполненной ЖК шелыо показало наличие низкодобротного поверхностного состояния в спектрах отражения, обусловленного предслосм, и отсутствие МР моды. Для расчета спектров использовалась двухкомпонешная модель с к ■ 0 н к ■ 0.02. В последнем случае

(а) (Ъ)

Рис. 15 Экспериментальные и расчетные спектры отражения для образца с пустой (а) и заполненной ЖК (Ь) щелью для ТЬ поляризации света. На теоретических зависимостях гонкая серая линия - расчет при к = О, толстая черная линия при к = 0.02. Параметры расчета: ría = 0.433, уг ол падения света у = 10°.

17

Рис. 14 СЭМ изображение структуры МР

удалось полунить хорошее согласие с экспериментом.

Моделирование показало, что по мере возрастания потерь (роста к) амплитуда поверхностного пика увеличивается, сам он уширяется, а абсолютная величина отражения в зоне уменьшается. Взаимодействие поверхностной и дефектной мод в условиях их спектральной близости может приводить не только к снижению добротности дефектной моды (рис. 13Ь), но и полностью маскировать с« (рис. 15Ь). Поэтому при проектировании струмуры перестраиваемого МР следует выбирать параметры, при которых Таммовскис состояния в ФСЗ будут отсутствоват ь.

Исследование влияния величины к на дефектную моду показало, что в отличие от поверхностной моды, ее амплитуда падает по мере увеличения потерь. При фиксированном к увеличение числа периодов т в Брэгговских зеркалах по обе стороны от щели приводит к снижению амплитуды дефектной моды. Если за численную характеристику погерь взять значение к = 0.02, найденное из расчетных кривых, которые показали наилучшее совпадение с экспериментом (рис. 15), го в микророонато-ре, заполненном ЖК, уже при от=3 амплитуда дефектной моды надает до 24% от максимально возможного значения в 100%. Таким образом, для надежной экспериментальной регистрации дефектной моды число периодов должно быть т£ 3.

Влияние Рслсевского рассеяния в сочетании с нарушением симметрии наглядно

£ 600 800 1000 1200 1400

$ сторона 2 § 1 о г

600 800 1000 1200 1400 Волновое число, см-'

Рнс. 16 2Э ФК с асимметричными границами и-|=0.685д и и'2=0.552а (а) и его спектры отражения в области ТЕ стоп зоны при освещении со стороны 1 (Ь) и 2 (с). Черная линия -

эксперимент, серая - расчет, проявилось в спектрах о!ражения полоски 21) ФК, имеющей разную толщину

18

предслоя на внешних границах (рис. 16а). На рис. 16Ь,с приведены экспериментальные и расчетные спектры отражения для света ТЕ поляризации при освещении ФК со стороны 1 и 2, которые различаются тем, что в первом случае поверхностное состояние наблюдается, а во втором нет. Спектры пропускания при этом остаются одинаковыми, независимо от того с какой стороны падает свет, что находится в полном согласии с принципом обратимости [12]. Анализ показывает, что при к = 0 спектры отражения также остаются одинаковыми, независимо от стороны освещения. В соответствии с расчетами, проведенными для полоски, состоящей из 5 рядов пор, предслой толщиной ^=0.685а создает поверхностную моду в ФСЗ, а слой толщиной ™=0.552а не создает. При увеличении величины к спектры отражения от разных сторон структуры начинают все больше различаться. При потерях на рассеяние, которое для нашей структуры оценивается с помощью к = 0.025, отражение в области ФСЗ не «чувствует» сигнала от заднего края структуры, поскольку амплитуда отраженного оттуда света мала. Таким образом, на спектрах отражения видны поверхностные состояния, обусловленные только входным предслоем.

В заключении диссертации перечислены основные результаты работы:

1. Для получения Ш ФК структур методом ФЭХТ п-81 необходимо соблюдать следующие условия: 0.785г//д << 2с1!а\ наиболее гладкие стенки получаются в еще более узком диапазоне при 0.34 <у//рЯ <0.44 и периоде а ~ 2л/р.

2. При получении узких полосок Ю ФК методом одновременного ФЭХТ глубоких пор и щелей к вышеуказанным правилам проектирования Ш ФК необходимо добавить следующее условие: расстояние между центром щели и ближайшим рядом пор должно быть близко к периоду двумерной решетки а.

3. Наличие кремниевого предслоя на границе 2Б ФК полоски может сопровождаться появлением в ФСЗ низкодобротных разрешенных состояний, связанных с поверхностными модами. Спектральное положение этих поверхностных состояний определяется толщиной предслоя.

4. Рассеяние света на внутренних границах кремний-воздух реальных ФК структур весьма существенно. Связанные с ним потери ограничивают максимальное число периодов в структуре ФК и MP, приводят к уменьшению амплитуды дефектных мод и увеличению амплитуды поверхностных состояний, и объясняют различие экспериментальных спектров отражения несимметричной структуры 2D ФК, измеренных с разных сторон.

5. Для получения микрорезонатора необходимо обеспечить малую толщину предслоя и малое число рядов пор с каждой стороны от дефекта.

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях:

А1. Федулова Г. В. Щелочное вскрытие макропор при изготовлении кремниевых структур со сквозными каналами // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2007. Т. 40. С. 75-79.

А2. Astrova Е. V., Fedulova G. V. Formation of deep periodic trenches in photo-electrochemical etching of n-type silicon // JMM. 2009. Vol. 19. P.095009(l 1).

A3. Astrova E. V., Tolmachev V. A., Zharova Yu. A., Fedulova G. V., Baldyche-va A. V., Perova T. S. Silicon periodic structures and their liquid crystal composites // Solid State Phenomena. 2009. Vol. 156-158. Pp. 547-554.

A4. Astrova E. V., Tolmachev V. A., Fedulova G. V., Melnikov V. A., Ankudi-nov A. V., Perova T. S. Optical properties of one-dimensional photonic crystals fabricated by photo-electrochemical etching of silicon // Appl. Phys. A. 2010. Vol. 98. No. 3. Pp. 571-581.

A5. Астрова E. В., Толмачев В. А., Федулова Г. В., Melnikov V.A., Perova T.S. Одномерные фотонные кристаллы, полученные с помощью фотоэлектрохимического травления кремния // Известия РАН. Серия физическая. 2010. Т. 74. № 1.С. 74-77.

А6. Жарова Ю. А., Федулова Г. В., Гущина Е. В., Анкудинов А. В., Астрова Е. В., Ермаков В. А., Перова Т. С. Технология получения одномерных

фотонных кристаллов с помощью фотоэлектрохимического травления кремния // ФТП. 2010. Т. 44. № 7. С. 986-994.

А7. Астрова Е. В., Федулова Г. В., Гущина Е. В. Формирование полосок двумерного фотонного кристалла путем одновременного фотоэлектрохимического травления щелей и макропор в кремнии // ФТП. 2010. Т. 44. № 12. С. 1666-1672.

А8. Astrova Е. V., Fedulova G. V., Zharova Yu. A., Gushchina Е. V. Side-Wall Roughness of Deep Trenches in ID and 2D Periodic Silicon Structures Fabricated by Photoelectrochemical Etching // Phys. Stat. Sol. C. 2011. Vol. 8. No. 6. Pp. 1936-1940.

A9. Astrova E. V., Fedulova G. V., Zharova Yu. A. Defect engineering in 2D photonic crystals fabricated by electrochemical etching of silicon // Sol. St. Phe-nom. 2011. Vol. 178-179. Pp. 459-464.

A10. Dyakov S. A., Baldycheva A. V., Perova T. S., Li G. V., Astrova E. V., Gip-pius N. A., Tikhodeev S.G. Surface states in the optical spectra of two-dimensional photonic crystals with various surface terminations // Phys. Rev. B. 2012. Vol. 86. No. 11. P. 115126(8).

All. Li G. V., Astrova E.V., Zharova Yu.A., Dyakov S. A., Baldycheva A.V., Perova T. S., Gippius N. A., Tikhodeev S. G. Tunable microcavity based on macroporous silicon: feasibility of fabrication // JLT. 2013. Vol. 31. No. 16. Pp. 2694-2700.

A12. Li G. V., Astrova E. V., Dyakov S. A., Baldycheva A., Perova T. S., Tikhodeev S. G., Gippius N. A. Surface Tamm states in a photonic crystal slab with asymmetric termination // Phys. Stat. Sol. RRL. 2013. Vol. 7. No. 7. Pp. 481^84.

A13. Dyakov S.A., Astrova E.V., Perova T.S., Tolmachev V.A., Fedulova G.V., Baldycheva A.V., Timoshenko V.Y., Tikhodeev S.G., Gippius N.A. Optical spectra of two-dimensional photonic crystal bars based on macroporous Si // Proc. SPIE. 2011. Vol. 7943. P. 794311(9).

Список цитируемой литературы:

1. Lehmann V., Foil Н. Formation mechanism and properties of electrochemically etched trenches in n-type silicon // J. Electrochem. Soc. 1990. Vol. 137. Pp. 653659.

2. Barillaro G., Nannini A., Piotto M. Electrochemical Etching in HF solution for silicon micromachining // Sensors and Actuators A. 2002. Vol. 102. Pp. 195-201.

3. Barillaro G., Diligenti A., Benedetti M., Merlo S. Silicon Micromachined Periodic Structures for Optical Applications at 1.55 цт // Appl. Phys. Lett. 2006. Vol. 89. P. 151110(3).

4. Geppert Т., Schweizer S. L., Gosele U., Wehrspohn R. B. Deep trench etching in macroporous silicon//Appl. Phys. A. 2006. Vol. 84. Pp. 237-242.

5. Azzam R.M.A., Bashara N.M. Ellipsometry and polarized light. North-Holland. Elsevier Science: Amsterdam. Netherlands. 1987. 379p.

6. Whittaker D. M., Culshaw I. S. Scattering-matrix treatment of patterned multilayer photonic structures // Phys. Rev. B. 1999. Vol. 60. No. 24. Pp. 2610-2618.

7. Tikhodeev S. G., Yablonskii A. L., Muljarov E. A., Gippius N. A., Ishihara T. Quasiguided modes and optical properties of photonic crystal slabs // Phys. Rev. B. 2002. Vol. 66. P. 045102(17).

8. Lehmann V. Electrochemistry of Silicon. Wiley - VCH. Germany. 2002. 277p.

9. Тамм И.Е. О возможной связи электронов на поверхностях кристалла // ЖЭТФ. 1933. Vol. 3. Pp. 34-35.

10. Виноградов А.П., Дорофеенко А.В., Мерзликин А.В., Лисянский А.А. Поверхностные состояния в фотонных кристаллах // УФН. 2010. Т. 180. № 3. С. 249-263.

11. Mihi A., Miguez Н., Rodriguez I., Rubio S., Meseguer F. Surface resonant modes in colloidal photonic crystals // Phys. Rev. B. 2005. Vol. 71. No.12. P. 125131(7).

12. Born M.,Wolf E. Principles of optics: electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light. 7th edn. Cambridge Univ. Press. UK. 1999. 986p.

Подписано в печать 25.09.13 Формат 60x84'/,6 Цифровая Печ. л. 1.0 Тираж 100 Заказ 21/09 печать

Отпечатано в типографии «Фалкон Принт» (197101, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Пушкарская, д. 54, офис 2)

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А. Ф. ИОФФЕ_

На правах рукописи

04201364385

Ли Галина Викторовна

Технология и оптические свойства фотонно-кристаллических структур на основе макропористого кремния

01.04.10 - физика полупроводников

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Научный руководитель кандидат физико-математических наук

Астрова Е.В.

Санкт - Петербург - 2013

Содержание:

Введение................................................................................................................................................................5

Глава 1 Литературный обзор................................................................................................................................9

1.1 Фотонные кристаллы...................................................................................................................................9

1.2 Локализованные состояния в фотонных кристаллах.............................................................................11

1.2.1 Микрорезонаторные состояния в фотонных кристаллах...............................................................12

1.2.2 Поверхностные состояния в фотонных кристаллах.........................................................................16

1.3 Кремниевые фотонные кристаллы..........................................................................................................19

1.4 Перестраиваемые фотонные кристаллы на кремнии............................................................................19

1.5 Методы получения высокоаспектных фотоннокристаллических структур на кремнии.....................22

1.6 Электрохимическое травление кремния.................................................................................................30

1.6.1 Морфология пористого кремния......................................................................................................31

1.6.2 Получение макропор в п-кремнии...................................................................................................33

1.6.3 Возможности фотоэлектрохимического травления кремния........................................................38

1.7 Фотонные кристаллы на основе макропористого кремния..................................................................42

1.7.1 Двумерные фотонные кристаллы.....................................................................................................42

1.7.2 Одномерные фотонные кристаллы..................................................................................................45

1.7.3 Трехмерные фотонные кристаллы....................................................................................................47

1.8 Методы структурирования макропористого кремния...........................................................................49

1.9 Выводы по главе 1.....................................................................................................................................52

Глава 2 Методика эксперимента и расчета.......................................................................................................54

2.1 Формирование затравочных центров......................................................................................................54

2.2 Установка для электрохимического травления кремния.......................................................................55

2.3 Методы получения сквозных мембран...................................................................................................59

2.3.1 Механическая шлифовка и полировка.............................................................................................60

2.3.2 Стравливание подложки в щелочи...................................................................................................61

2.3.3 Отделение от подложки в процессе электрохимического травления..........................................62

2.4 Увеличение пористости периодических структур..................................................................................63

2.4.1 Термическое окисление полученных структур................................................................................64

2.4.2 Увеличение плотности тока в процессе электрохимического травления.....................................66

2.5 Микроскопические исследования...........................................................................................................67

2.6 Измерение спектральных характеристик................................................................................................67

2.7 Расчет спектральных характеристик........................................................................................................69

2.7.1 Метод матрицы переноса..................................................................................................................70

2.7.2 Метод матрицы рассеяния................................................................................................................73

Глава 3 Одномерные фотонные кристаллы......................................................................................................78

3.1 Технология..................................................................................................................................................78

3.1.1 Проектирование фотошаблонов.......................................................................................................78

3.1.2 Получение исследуемых образцов...................................................................................................79

3.1.3 Условия формирования глубоких периодических щелей в кремнии...........................................81

3.1.4 Исследование шероховатости стенок...............................................................................................93

3.1.5 Дополнительная щелочная обработка структур.............................................................................99

3.1.6 Дополнительное термическое окисление структур......................................................................102

3.2 Оптические свойства полученных одномерных фотонных кристаллов.............................................104

3.2.1 Экспериментальные спектры отражения и пропускания.............................................................105

3.2.2 Влияние неровности стенок............................................................................................................107

3.2.3 Оптическая анизотропия.................................................................................................................110

3.3 Выводы по главе 3...................................................................................................................................113

Глава 4 Структуры двумерных фотонных кристаллов с конечным числом периодов................................114

4.1 Структуры с квадратной решеткой пор.................................................................................................114

4.1.1 Технология........................................................................................................................................114

4.1.2 Особенности одновременного травления щелей и пор...............................................................119

4.1.3 Исследование шероховатости стенок двумерного фотонного кристалла..................................120

4.1.4 Дополнительное термическое окисление для сглаживания стенок...........................................122

4.1.5 Оптические свойства двумерных фотонных кристаллов..............................................................123

4.2 Структуры стригональной решеткой пор..............................................................................................126

4.2.1 Технология........................................................................................................................................126

4.2.2 Расчет карт отражения фотонных стоп-зон....................................................................................127

4.2.3 Поверхностные состояния в двумерных фотонных кристаллах...................................................129

4.3 Выводы по главе 4...................................................................................................................................136

Глава 5 Микрорезонаторные структуры на основе двумерного фотонного кристалла.............................138

5.1 Конструкция перестраиваемого микрорезонатора..............................................................................138

5.2 Микрорезонатор с периодом решетки 8 мкм......................................................................................139

5.2.1 Технология микрорезонатора.........................................................................................................139

5.2.2 Влияние ширины затравочных щелей, вводимых в регулярную решетку макропор................143

5.3 Микрорезонатор с периодом решетки 3.75 мкм.................................................................................144

5.3.1 Технология микрорезонатора.........................................................................................................144

5.3.2 Оптические характеристики полученного микрорезонатора......................................................149

5.3.3 Влияние потерь на рассеяние.........................................................................................................152

5.4 Оптические свойства двумерных фотонных кристаллов с несимметричными границами..............157

5.4.1 Получение несимметричной структуры.........................................................................................157

5.4.2 Оптические характеристики несимметричной структуры............................................................158

5.4.3 Происхождение поверхностных пиков на спектрах отражения..................................................160

5.4.4 Влияние потерь на рассеяние.........................................................................................................161

5.5 Выводы по главе 5...................................................................................................................................165

Заключение........................................................................................................................................................166

Список публикаций автора по теме диссертации..........................................................................................167

Список цитируемой литературы......................................................................................................................169

Введение

Актуальность работы. Данная диссертационная работа посвящена разработке методов получения высокоаспектных одномерных (Ш) и двумерных (2Э) периодических структур, с помощью фотоэлектрохимического травления (ФЭХТ) кремния и исследованию их оптических свойств. Актуальность темы связана с широкими перспективами использования таких кремниевых структур в качестве Ш и 20 фотонных кристаллов (ФК). Развитие науки о ФК и их практических приложениях во многом определяются возможностями технологии. Бурный интерес к этим искусственным средам в последние десятилетия напрямую связан с технологическим прогрессом, уменьшением периода ФК и переходом в оптический диапазон электромагнитных волн. Особое место занимают структуры с фотонной запрещённой зоной на кремнии, основном элементе современной полупроводниковой микроэлектроники. Главным направлением развития микроэлектроники является увеличение объема и скорости передаваемой информации. Обработка информации внутри чипа может осуществляться как с помощью оптических элементов, так и в сочетании с электронными компонентами (кремниевая микрофотоника). В последнем случае фотонные элементы интегрированы в чип, а свет в них распространяется в плоскости пластины. Управление оптическими потоками способно существенно увеличить скорость обработки информации. Таким образом, детальное изучение технологических процессов получения различных структур на основе кремниевых ФК и их взаимосвязи с оптическими свойствами определяют актуальность настоящего исследования.

Цель диссертационной работы состоит в исследовании возможностей метода ФЭХТ кремния, дополненного другими технологическими процессами микроэлектроники, для формирования ФК структур для среднего ИК диапазона.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить закономерности образования периодических щелевых структур с помощью ФЭХТ.

2. Исследовать оптические характеристики Ш ФК на основе этих щелевых структур.

3. Разработать технологию получения 2В ФК с конечным числом периодов.

4. Провести теоретические и экспериментальные исследования оптических свойств таких 2Б ФК структур.

5. Создать структуру перестраиваемого микрорезонатора (МР) на основе композита кремний -жидкий кристалл (ЖК).

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Сформулированы условия получения периодических щелевых структур в процессе ФЭХТ.

2. Установлены основные закономерности получения 20 структур с конечным числом периодов путем совместного формирования макропор и щелей на одной подложке.

3. Определена зависимость неровности стенок Ш и 20 периодических структур от геометрических параметров рисунка затравок и нормированной плотности тока травления }/}рз- Исследовано влияние последующих обработок на величину неровности.

4. Изучено влияние рассеяния света внутри Ш и 2Б структур на оптические свойства ФК, полученных с помощью ФЭХТ.

5. Исследованы особенности оптических характеристик структур 20 ФК и определена роль приграничных слоев ФК в формировании поверхностных состояний.

6. Предложена конструкция и изготовлена структура композитного МР на основе кремний-ЖК. Исследованы его оптические характеристики и сформулированы условия получения электроуправляемого устройства.

7. Теоретически и экспериментально исследованы поверхностные состояния Тамма в структуре 20 ФК с несимметричными границами.

Научная и практическая значимость. Изучены физико-химические процессы формирования

кремниевых Ш ФК и 20 ФК с малым числом периодов и микрорезонатора на их основе.

Проанализированы и систематизированы факторы, влияющие на оптические характеристики

реальных структур на основе макропористого кремния.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Ш ФК может быть получен с помощью ФЭХТ п-Б^ на поверхности которого сформированы затравочные центры в виде периодических канавок. Существуют определенные условия образования высокоаспектных щелевых структур. Структуры с наиболее гладкими стенками можно получить при оптимальных значениях периода затравок и тока анодирования, зависящих от удельного сопротивления п^ и критической плотности тока

2. Полоска 20 ФК с вертикальными стенками и малым числом периодов может быть изготовлена методом одновременного ФЭХТ макропор и щелей. Оптимальные условия формирования Ю ФК полосок с гладкими боковыми стенками и минимальным искажением решетки макропор вблизи щелей определяются геометрическими параметрами рисунка затравочных центров и нормированной плотностью тока ФЭХТ

3. Резонансные моды в фотонных стоп зонах (ФСЗ) полоски 20 ФК, полученного одновременным травлением макропор и щелей, обусловлены поверхностными фотонными состояниями Таммовского типа и проявляются на экспериментальных спектрах отражения в виде глубоких низкодобротных провалов. Их появление и спектральное положение

зависят от толщины смодулированного интерфейсного слоя кремния на внешних границах ФК.

4. Рэлеевское рассеяние света на поверхности макропор и щелей оказывает существенное влияние на оптические характеристики ФК структур. Увеличение интенсивности рассеяния приводит на спектрах отражения к увеличению амплитуды поверхностных состояний и уменьшению амплитуды дефектных мод. Различие спектров отражения при освещении с разных сторон полоски 2D ФК с несимметричными границами также обусловлено потерями на рассеяние.

5. Электроуправляемый MP для среднего ИК диапазона может быть изготовлен на основе композитной структуры 2D ФК с помощью ФЭХТ. Он состоит из узкой полоски макропористого кремния, в центре которой расположен дефект в виде щели, заполняемой нематическим жидким кристаллом. Интерфейсные слои такой структуры должны быть достаточно тонкими, а число периодов в Брэгговских зеркалах по обе стороны от дефекта не должно быть больше трех.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях: V и VIM/н конференций молодых ученых и специалистов «0птика-2007» и «Оптика - 2009» (С.-Петербург, Россия, 2007 и 2009); XIII М/н Симпозиум Нанофизика и Наноэлектроника (Н.Новгород, Россия, 2009); 5th Kurt Schwabe symposium. From corrosion to semiconductors. (Erlangen, Germany, 2009); XIII, XIV and XV International Conference "Gettering and Defect Engineering in Semiconductor Technology (GADEST)" (Dolnsee-Schorfheide, Germany, 2009; Loepersdorf, Austria, 2011; Oxford, United Kingdom, 2013); М/н конференция «Микро- и наноэлектроника 2009» (Звенигород, Россия, 2009); 33rd and 35rd Annual Symposium of Microscopical Society of Ireland (Dublin, Ireland, 2009 and 2011); Intel European Research and Innovation Conference 2009 and 2011 (Intel-Lexlip, Ireland, 2009 and 2011); 7th and 8th International Conference on Porous Semiconductors Science and Technology - PSST 2010 and PSST 2012 (Valencia, Spain, 2010; Malaga, Spain, 2012); VII, VIII и IX м/н конференции по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе: Кремний-2010, Кремний-2011, Кремний-2012 (Н.Новгород, Россия, 2010; Москва, Россия, 2011; С.-Петербург, Россия, 2012); Photonics Ireland Conference 2011 (Malahide, Ireland, 2011); SPIE Photonics West (San Francisco, USA, 2011); XI Российская конференция по физике полупроводников (С.-Петербург, Россия, 2013).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 13 статьях, из них 12 статьей в ведущих рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК РФ [А1-А12]. Список публикаций приведен в конце диссертации.

Личный вклад автора. Автором были разработаны ФК структуры: спроектированы шаблоны и изготовлены образцы. Проведены исследования закономерностей формирования щелевых структур в процессе ФЭХТ и возможностей сглаживания их стенок. Предложена и разработана технология формирования узких полосок 20 ФК и перестраиваемого МР. Проанализированы оптические характеристики полученных структур и рассчитаны спектры наилучшим образом совпадающие с экспериментом. Проведены численные эксперименты и определено влияние поверхностных состояний и рассеяния на оптические спектры реальных структур.

Благодарности. Я благодарна руководителю Е. В. Астровой на разных этапах работы, оказавшей влияние на мои научные интересы и на возникновение интереса к исследованиям вообще, за помощь в работе над диссертацией, за полезные обсуждения. Кроме того, выражаю искреннюю благодарность всем соавторам, а так же А.В. Нащекину, А.Д. Ременюк и Д.А. Костенко за помощь на разных стадиях моей научной работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка публикаций автора и списка цитируемой литературы. В первой главе представлен литературный обзор по теме диссертации, во второй главе приводится описание методики эксперимента и расчета, третья глава посвящена технологии получения Ш ФК и исследованию их оптических свойств, в четвертой главе рассматриваются структуры 20 ФК с конечным числом периодов и их оптические характеристики, пятая глава посвящена разработке структур управляемых микрорезонаторов на основе 20 ФК и теоретическому и экспериментальному исследованию их оптических особенностей. Также в пятой главе рассмотрена структура 20 ФК с несимметричными границами и исследованы ее