Фотонные среды на основе нано- и микроструктурированного кремния

• Автор: Заботнов, Станислав Васильевич
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 122 с. : ил.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

® 1.1. Структурные свойства кремниевых наноструктур, полученных методом

электрохимического травления

1.2. Оптические свойства пористого кремния

1.2.1 Модели эффективной среды для описания свойств пористых сред

£ 1.2.2 Учет анизотропии в моделях эффективной среды

1.2.3. Двулучепреломление формы в пористом кремнии

1.3. Нелинейно-оптические процессы в пористом кремнии

1.3.1. Обобщение моделей эффективной среды для описания нелинейнооптического отклика пористых сред

1.3.2. Квадратичная нелинейность пористого кремния

1.3.3. Кубичная нелинейность пористого кремния

1.3.4. Способы увеличения эффективности генерации оптических гармоник в
ф пористом кремнии
1.4. Формирование низкоразмерных кремниевых структур фемтосекундными лазерными импульсами
1.4.1. Образование поверхностных периодических структур при взаимодействии
. лазерного излучения с веществом
1.4.2. Особенности взаимодействия сверхкоротких лазерных импульсов с
веществом
1.4.3. Формирование поверхностных решеток при облучении твердых тел
фемтосекундными лазерными импульсами
1.5. Выводы из обзора литературы и постановка задачи исследования
ГЛАВА 2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
2.1. Изготовление слоев анизотропного пористого кремния
2.2 Формирование низкоразмерных структур при облучении кремниевых
_ поверхностей фемтосекундными лазерными импульсами
2.3. Измерение спектров пропускания и отражения пористого кремния
2.4. Генерация оптических гармоник
2.5. Измерение фотолюминесценции и спектров комбинационного рассеяния
света

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ЛИНЕИНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕЗОПОРИСТОГО КРЕМНИЯ
3.1 Анализ двулучепреломления в анизотропно наноструктурированном кремнии в рамках электростатического приближения Бруггемана .л
3.2 Влияние размеров составляющих нанокомпозита на его оптические свойства

# 3.3. Электродинамическое приближение для анизотропной эффективной среды

3.4 Учет размеров пор и наиокристаллов для описания оптических свойств анизотропного мезопористого кремния
ГЛАВА 4. ГЕНЕРАЦИЯ ТРЕТЬЕЙ ОПТИЧЕСКОЙ ГАРМОНИКИ В СЛОЯХ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ
4.1 Анализ структуры тензора нелинейной восприимчивости пористого кремния

4.2 Решение волнового уравнения для процесса генерации третьей гармоники в объеме пористого кремния
4.3 Синхронная генерация третьей гармоники в объеме пористого кремния
4.4 Ориентационные зависимости третьей гармоники для кристаллического и пористого кремния. Особенности тензоров нелинейной восприимчивости
4.5 Рост эффективности генерации третьей гармоники в слоях мезопористого кремния за счет локализации света
ГЛАВА 5. НАНО- И МИКРОСТРУКТУРИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЯ ФЕМТОСЕКУНДНЫМИ ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ
5.1 Структура поверхности кремния, облученной фемтосекундными лазерными импульсами
5.2 Комбинационное рассеяние света и фотолюминесценция на облученных кремниевых поверхностях
5.3 Нелинейно-оптическая /и-хйи диагностика процесса образования микроструктурированного рельефа на поверхности кремния при фемтосекундном лазерном облучении
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА

Актуальность проблемы
Существенную роль в развитии современных оптоэлектронных технологий занимает создание и исследование полупроводниковых нано- и микроструктур. Монокристаллический кремний является основным материалом современной микроэлектроники. Массовое содержание кремния в земной коре составляет 29.5%, что обуславливает безусловную экономическую выгоду его промышленного использования. В настоящее время прекрасно развиты методы добычи, очистки и легирования кремния. Однако стремительно происходящая миниатюризация компонент современных интегральных схем и оптических систем требует нахождения новых путей формирования низкоразмерных кремниевых структур, что в свою очередь стимулирует многочисленные научные исследования в этой области.
В частности, электронные и оптические свойства монокристаллического кремния могут быть изменены в результате электрохимического травления, посредством которого формируется пористый кремний (ПК) - среда, состоящая из пор и нанокристаллов размером от единиц до сотен нанометров [1, 2]. К числу преимуществ данного метода следует отнести быстроту и контролируемость процесса, а также его невысокую стоимость. Помимо этого метод электрохимического травления чувствителен к кристаллографической ориентации поверхности и уровню легирования кремниевой подложки, что позволяет управлять пространственным расположением и размерами кремниевых нанокристаллов и пор и создавать среды, в которых могут быть достигнуты большая величина искусственной оптической анизотропии [3 - 5] и (или) усиление локального поля в наночастицах [6]. Эти механизмы могут быть использованы при создании новых фотонных сред для управления поляризацией света, а также компактных нелинейно-оптических преобразователей частоты.
Еще одним способом нано- и микроструктурирования кремния является облучение его поверхности лазерными импульсами. При этом наиболее предпочтительным является обработка фемтосекундным излучением. Благодаря высокой энергии в импульсе длительностью меньшей времени термализации носителей заряда вещества реализуется процесс абляции вещества с переходом в плазму и газообразную фазу, минуя жидкий расплав [7]. В результате такого процесса, получившего название “холодной абляции”, становится возможной обработка поверхности с микронной и даже субмикронной точностью и минимальным термическим разрушением материала. При этом существует два направления такой обработки: непосредственная нарезка рельефа лазерным лучом [8]
представляется боле целесообразным использовать лазерные источники накачки, генерирующие излучение с длиной волны, превышающей 1.1 мкм.
4) Рассмотрен механизм формирования периодических структур - решеток на поверхности твердого тела при ее облучении лазерными импульсами. Классическая интерпретация данного эффекта заключается в интерференции падающего излучения с дифрагировавшим на периодических неоднородностях облучаемой поверхности. Однако в случае фемтосекундной лазерной абляции роль термических процессов пренебрежимо мала, ввиду чего вынос вещества обычно происходит в результате быстрых процессов перехода в неравновесную плазму и газообразную фазу, минуя жидкий расплав. В результате оказывается возможным формирование решеток с периодом, существенно меньшим длины волны. Механизм образования таких структур к настоящему времени не имеет четкого физического описания, что требует проведения тщательных исследований облученной фемтосекундными лазерными импульсами поверхности.
В связи с вышесказанным, в настоящей работе были поставлены следующие задачи:
1) С помощью модели эффективной среды описать двулучепреломление и тензор кубичной нелинейности анизотропно наноструктурированного мезопористого кремния. Учесть влияние размеров нанокристаллов и пор на проявление эффектов локального поля в исследуемых структурах.
2) Методом генерации третьей оптической гармоники осуществить нелинейнооптическую диагностику объема двулучепреломляющего пористого кремния. Провести по экспериментальным данным анализ структуры тензора кубичной нелинейности.
3) Реализовать режимы наиболее эффективного преобразования лазерного излучения в третью гармонику в анизотропно наноструктурированном мезопористом кремнии в условиях фазового согласования и локализации света с использованием лазерных источников накачки, генерирующих излучение в ближнем ИК диапазоне.
4) Под воздействием фемтосекундных лазерных импульсов сформировать на поверхности кремния низкоразмерные структуры и исследовать условия их возникновения.
5) Провести изучение морфологии облученной фемтосекундными лазерными импульсами поверхности кремния методами РЭМ и АСМ, а также выяснить влияние локальных полей в сформированных низкоразмерных структурах на оптический и нелинейно-оптический отклик методами спектроскопии КР и ГТГ.