НацІональна АкадемІЯ Наук УкраЇни

Інститут ФІзики НапІвпровІдникІв

ЯструбЧак Оксана БогданIвна

УДК 538.958

Плазмовий резонанс в багатошарових дифракцiйних гратках на основi монокристалiв GaAs та InP

01.04.07- фізика твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико - математичних наук

Київ-2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників Національної Академії Наук України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор

Дмитрук Микола Леонтійович,

Інститут фізики напівпровідників НАН України,

завідувач відділом

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Корбутяк Дмитро Васильович

Інститут фізики напівпровідників НАН України

завідувач відділом;

доктор фізико-математичних наук, професор

Гнатенко Юрій Павлович

Інститут фізики НАН України,

завідувач відділом.

Провідна установа: Чернівецький національний університет

імені Юрія Федьковича, м. Чернівці.

Захист відбудеться “15” червня 2001 р. о 1430 год.

на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.199.01

в Інституті фізики напівпровідників НАН України,

за адресою: 03028, Київ-28, проспект Науки, 45

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників НАН України (03028, Київ-28, проспект Науки, 45).

Автореферат розісланий “_15_” травня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

кандидат фізико-математичних наук Охріменко О.Б.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Багатошарові дифракційні гратки (ДГ), виготовлені на основі монокристалів напівпровідників з формуванням потенціального бар’єру Шоткі на межі поділу їх з металами, є ключовим елементом різноманітних пристроїв поляритонної оптоелектроніки, високочутливих сенсорів хімічних речовин та плазмово-поляритонних (ППР) фотодетекторів і т.п. Робота цих пристроїв грунтується на використанні резонансного збудження поверхневих плазмонів у тонких металевих плівках, напилених на періодично-профільовану поверхню напівпровідника, при опроміненні фотонами з актуальної області спектру. Селективність, чутливість і керування роботою пристроїв поляритонної оптоелектроніки залежить від ефективності цього збудження, яке може бути оптимізоване вибором відповідного металевого покриття та оптимальних геометричних параметрів ДГ.

Завжди, коли йдеться про плазмовий резонанс в провідних середовищах, звертається особлива увага на високу чутливість цього явища навіть до незначних змін параметрів поверхні, приповерхневого шару та меж поділу (інтерфейсів), що можна ефективно використати для виявлення структури тонкоплівкових діелектричних та металевих покриттів на початкових стадіях їхнього виготовлення, визначити їхні ефективні оптичні параметри, дослідити вплив різних факторів на стан та властивості тонких плівок та багатошарових структур, що є однією з основних задач фізики твердого тіла.

Однак залишаються маловивченими особливості збудження плазмового резонансу (ПР) в реальних багатошарових ДГ, фізичні і оптичні властивості яких визначаються не тільки діелектричними константами металу та періодом і глибиною модуляції ДГ, але й мікроструктурою кожної плівки такої багатошарової структури, наявністю допоміжних плівок - діелектричної фази, адгезією металевого покриття до підкладинки, морфологією поверхні дифракційної гратки та властивостями інтерфейсів. Важливо з’ясувати, який вплив має кожeн з цих факторів на умови збудження та поширення поверхневих плазмових поляритонів (ППП) у багатошарових структурах, створених на основі дифракційних граток на поверхні монокристалів GaAs та InP. Тому постає необхідність розробити комплексну методику характеризації складних багатошарових ДГ із залученням відповідних експериментальних методів дослідженнь разом з фізично обгрунтованими теоретичними методами параметризації досліджуваних структур.

Дуже важливим є також вивчення впливу морфології поверхневого мікрорельєфу на умови збудження та поширення поверхневих плазмових поляритонів. Встановлення зв’язку між випадковою шорсткістю чи фрактальністю дифракційних граток (що визначається технологією їхнього виготовлення) і параметрами плазмового резонансу дасть можливість охарактеризувати це явище в багатошарових структурах із невпорядкованими та квазівпорядкованими мікрорельєфами на межах поділу.

Необхідність дослідження та розв’язання деяких з викладених вище проблем і зумовлює актуальність обраної теми дисертації.

Зв’язок з науковими програмами. Дисертаційна робота виконувалась в рамках декількох науково-дослідних проектів.

1. „Дослідження фізичних властивостей, розробка технологій і методів контролю складних плівкових систем на основі GaAs і SiC з метою створення приладів для сенсорної, електронної і оптоелектронної техніки”, 1993-1997 рр. (Розпорядження Мінекономіки України №12-5718 від 24.09.1993 р.).

2. „Оптичні властивості фрактальних структур на поверхні твердих тіл.” (Проект ДФФД 2.4/729 за договором № Ф4-313-97 від 26.09.1997).

3. „Розробка елементів сенсорної та оптоелектронної техніки на основі нової технології виготовлення періодичних структур на поверхні напівпровідників”, 1997-1998 рр. (Проект №6.97.262; Договір №8/1470-97 від 10.10.1997 р. між Міннауки та ІФН НАН України).

4. „Дослідження механізмів структурної і компонентної модифікації матеріалів під дією зовнішніх чинників і створення низькотемпературних технологій приладів та пристроїв оптоелектроніки”, 1995-1999 рр. (Постанова Бюро ВФА НАН України №9 від 20.12.1994 р., номер держ. реєстрації 0195U010991).

Метою дисертаційної роботи є всебічний аналіз та оптимізація умов збудження та поширення поверхневих плазмових поляритонів в багатошарових твердотільних системах, створених на основі ДГ на поверхні монокристалів GaAs та InP, в залежності від оптичних, морфологічних і структурних властивостей цих систем. Реалізація поставленої мети вимагала вирішення таких конкретних задач:

1. Розроблення та вдосконалення технології фотохімічного та фоторезистивного хімічного травлення для створення ДГ на поверхні монокристалів GaAs та InP та виготовлення багатошарових структур на їх основі з використанням металевих (Al, Ag, Au) покриттів з (або без) додатковими захисними діелектричними плівками (SixOy, AlxOy).

2. Повна характеризація як виготовленої багатошарової структури в цілому, так і кожного з її складових елементів за допомогою розробленої комплексної методики досліджень багатошарових ДГ із залученням профілометрії, атомно-силової мікроскопії (АСМ), спектральної та багатокутової еліпсометрії, спектроскопії відбивання та пропускання світла.

3. Визначення геометричних і статистичних параметрів мікрорельєфу профільованих поверхонь з різною морфологією та дослідження їхнього впливу на умови збудження плазмового резонансу.

4. Теоретичний розрахунок параметрів багатошарових ДГ для найбільш ефективного перетворення падаючого випромінювання в ППП (оптимізація).

5. Експериментальне дослідження плазмового резонансу в різних умовах збудження для прогнозування параметрів розроблюваних приладів нової галузі прикладної фізики - поляритонної оптоелектроніки.

Об’єктом дослідження є процес перетворення падаючого на мікрорельєфну поверхню фотоактивного середовища світла в хвилю ППП.

Предметом дослідження вибрані багатошарові твердотільні структури типу бар’єрів Шоткі з мікрорельєфною межею поділу на основі GaAs та InP. Були застосовані такі методи дослідження як: спектральна та багатокутова еліпсометрія, спектроскопія відбивання та пропускання світла, вимірювання спектральних та кутових характеристик фотоструму короткого замикання бар'єрів Шоткі (в тому числі і в режимі збудження плазмового резонансу) для визначення оптичних характеристик тонких металевих плівок та особливостей взаємодії світла з профільованою поверхнею; АСМ і профілометрія для характеризації мікрорельєфу поверхні.

Наукова новизна роботи полягає у тому, що:

1. Запропонована методологія адекватної, стосовно подальшого застосування, характеризації багатошарових ДГ із залученням комплексного методу дослідженнь, який включає спектральну та багатокутову еліпсометрію, спектроскопію відбивання та пропускання світла, АСМ, вимірювання спектральних та кутових характеристик фотоструму короткого замикання бар'єрів Шоткі разом з фізично обгрунтованими теоретичними методами параметризації досліджуваних структур (теорії ефективного середовища Бругемана, методу гармонічних осциляторів Лоренца, математичної концепції фракталів).

2. Показано універсальність фрактального методу аналізу для визначення статистичних параметрів невпорядкованих, частково впорядкованих та періодичних мікрорельєфів. Розраховано статистичні геометричні та фрактальні параметри мікрорельєфних поверхонь монокристалів GaAs та InP з різною морфологією (дендритів, квазіграток та ДГ), виявлено зв'язок між технологією виготовлення мікрорельєфів та їхніми фрактальними параметрами.

3. Визначено характер зміни умов збудження і поширення ППП з аналізу впливу на них фрактальної розмірності мікрорельєфу та оптичних констант плазмон-несучих покриттів. Показано, що випадкова шорсткість ДГ, на які напилюється тонкоплівкова гетероструктура, має вирішальний вплив на загасання ППП.

4. Встановлено оптимальний склад твердотільних багатошарових структур на основі ДГ, які сприяють найбільш ефективному перетворенню падаючого p-поляризованого світла в ППП в ультрафіолетовій (УФ), видимій та інфрачервоній (ІЧ) областях спектру на основі співставлення результатів досліджень впливу геометричних (періоду і глибини модуляції ДГ), оптичних (коефіцієнта заломлення та поглинання металевої плазмон-несучої плівки) та структурних (тип плазмон-несучого металевого покриття та його товщини) параметрів на умови збудження ПР в цих системах.

5. З допомогою вимірювань в умовах збудження ПР виявлено острівцеву структуру тонких металевих (з товщиною l < lкритичне 10-20 нм) та діелектричних (з товщиною l 3-15 нм) покриттів i визначено їхні ефективні оптичні параметри (nеф та kеф). Показано вплив особливостей поглинання поляризованого світла в острівцевих металевих плівках на підсилення фоточутливості багатошарових бар'єрних структур типу Шоткі в області збудження ПР.

Практичне значення проведених досліджень та отриманих результатів:

1. Розроблено технологію створення ДГ на поверхні монокристалів GaAs та InP способами хімічного травлення через фоторезист та фотохімічного інтерференційного травлення, яка може бути використана для виготовлення багатошарових твердотільних структур як базового елемента різноманітних пристроїв поляритонної оптоелектроніки.

2. Сконструйовано та виготовлено селективні ППР-фотодетектори, резонансно-чутливі до довжини хвилі, кута падіння та поляризації світла, зі специфічними функціональними можливостями.

3. На основі багатошарових ДГ розроблено ефективні сенсори хімічних речовин, які можна використати для визначення параметрів компонент рідинних середовищ (концентрації, оптичних констант і т.п.) як у наукових дослідженнях, так і в виробничих процесах, медичній діагностиці та моніторингу довкілля.

4. Показано, що використання явища поляризаційної конверсії в пристроях поляритонної оптоелектроніки створює додаткові можливості збільшення фоточутливості ППР-фотодетекторів, покращення відношення „сигнал-шум” в приймачах поляризованого випромінювання, підвищення чутливості вимірювань в різного типу ППР-сенсорах хімічних речовин.

Особистий внесок здобувача: постановка задач та інтерпретація результатів, підготовка зразків і планування експериментів, написання статей було здійснено в творчій співпраці з науковим керівником та співавторами відповідних наукових праць. Дисертантом було виготовлено ДГ на поверхні монкристалів GaAs способом фотохімічного травлення, виконано всі теоретичні розрахунки, проведено експериментальні вимірювання методами профілометрії, спектральної еліпсометрії, та деякі вимірювання методом багатокутової еліпсометрії, спектроскопії відбивання та пропускання світла та фотогальванометричним методом, проведено чисельну обробку результатів вимірювань і моделювання властивостей досліджуваних об’єктів.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні результати роботи доповідались і обговорювались на таких міжнародних наукових конференціях: SPIE International Symposium ”Optoelectronics Integrated Devices and Applications” (San-Jose, California, USA, 1997р.); VI Міжнародна конференція „Фізика і технологія тонких плівок” (Івано-Франківськ, Україна, 1997р.); 21nd та 22nd International Conference on Microelectronics (MIEL’97 та MIEL’2000, Ni, Yugoslavia, 1997р. та 2000р.); 20nd, 21nd та 22nd Edition International Semiconductor Conference (CAS’97, CAS’98 та CAS’99 Sinaia, Romania, 1997р., 1998р. та 1999р.); Міжнародній конференції „Современные проблемы физики полупроводников” (Нукус, Узбекистан, 1997р.); 2nd, 3nd International Conference on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems (ASDAM’98 та ASDAM’2000, Smolenice, Slovakia, 1998р. та 2000р.); XXVII International School on Physics of Semiconducting Compounds ”Jaszowiec’98” (Ustron’-Jaszowiec, Poland, 1998); Workshop on Condensed Matter Physics (Львів, Україна, 1998); 44nd International Scientific Colloquium’99 (Ilmenau, Germany, 1999); 2nd International Workshop on Surface and Interface Optics SIO’99 (St.-Maxime, France, 1999 р.).

Публікації: Результати дисертаційної роботи опубліковано в 24 працях: 9-ти статтях в реферованих фахових журналах, 9-ти публікаціях в збірниках праць та 6-ти публікаціях в збірниках тез міжнародних конференцій.

Структура та об’єм дисертаційної роботи: Дисертація складається зі вступу, 5-ти розділів, висновків та списку цитованої літератури, що містить 124 найменувань. Роботу викладено на 154 сторінках машинописного тексту, який містить 26 рисунків та 7 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обгрунтовано актуальність обраної теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, окреслено новизну та практичне значення одержаних результатів, приведено дані, що стосуються апробації роботи та опублікування головних результатів, коротко викладено зміст дисертації.

У першому розділі описано фізичні основи збудження поверхневого плазмового резонансу в багатошарових структурах з плоскою та профільованою межею поділу. Подано короткий огляд застосування мікрорельєфів з різною морфологією (в тому числі ДГ), створених на поверхні напівпровідників, у пристроях поляритонної оптоелектроніки, головні принципи якої засновані на використанні резонансних явищ в багатошарових тонкоплівкових структурах, зокрема взаємодії електромагнітного випромінювання з твердим тілом через проміжний стан - збудження поверхневих електромагнітних хвиль.

Подано також огляд технологій мікропрофілювання поверхонь напівпровідників. Описано, як, використовуючи хімічне травлення, на поверхні GaAs та InP створювались ізотропні (дендрити, зрізані чотирикутні піраміди та інші поліедри травлення) та анізотропні мікрорельєфи у вигляді системи паралельних канавок (квазігратки). Також описано фізико-хімічні основи різних способів виготовлення упорядкованих поверхнево-періодичних структур (конфокальних еліпсів, кілець та паралельних канавок - ДГ).

У другому розділі описано розроблені в роботі технології виготовлення ДГ на поверхнях монокристалів GaAs та InP способом голографічного експонування зразків з використанням фоторезисту або ізотропного травника, та методи визначення їхніх геометричних і статистичних параметрів. Для аналізу морфології плоских та рельєфних поверхонь проводились їх дослідження методами профілометрії та АСМ. Виходячи з отриманих експериментальних результатів було реконструйовано профіль кожного мікрорельєфу та обраховано його автокореляційну функцію (АКФ) G(x). Встановлено, що в рамках традиційної статистичної моделі, в якій АКФ описується функцією типу G(X)=2exp[-(X/)2] (тут =- середньо-квадратична висота поверхневого мікрорельєфу, - автокореляційна довжина, - експоненційний параметр, який визначає характер морфології поверхні), можна досить добре охарактеризувати тільки випадкові ізотропні (дендрити) та квазіперіодичні (квазігратки) мікрорельєфи (Таблиця 1). Тому для опису будь-яких типів мікрорельєфів (від випадкового до строго періодичного (одновимірних ДГ)) була використана більш загальна модель, яка враховує можливу фрактальну структуру поверхні. Згідно з цією моделлю одновимірна функція поверхневого мікрорельєфу z(x) виражається через суму періодичних функцій - просторових гармонік:

z(x)= C, (1)

де 1 < D < 2 - фрактальна розмірність мікрорельєфу поверхні, K0 - хвильове число, b > 1 - просторово-частотний параметр, N - кількість просторових гармонік, n - початкова фаза,- амплітудний коефіцієнт. Згідно з (1) АКФ будь-якого мікрорельєфу описується формулою:

G(X)= . (2)

Проведені експериментальні дослідження показали, що з використанням фрактальної моделі можна описати будь-який поверхневий мікрорельєф. Фрактальні параметри D i b є мірою його упорядкованості: збільшення D свідчить про збільшення ступеня його випадковості, а зменшення b - про зменшення періодичності (див. табл. 1).

Також описано застосування оптичних методів, які полягають в вимірюванні кутів дифракції, аналізі інтенсивності світла, відбитого дифракційною граткою в 0-й і 1-й дифракційні порядки, та розсіяного світла, для незалежного визначення параметрів мікрорельєфу поверхні.

Таблиця 1.

Статистичні параметри різних типів поверхневих мікрорельєфів

Тип

мікрорельєфу | традиційна статистична модель | фрактальна модель

(структура) | , нм | , нм | , нм | K0, нм -1 | D | b

дендрит (GaAs) | 156 | 661 | 0.927 | 154 | 0.00093 | 1.81 | 1.43

квазігратка (GaAs) | 215 | 208 | 0.959 | 214 | 0.00382 | 1.67 | 1.58

ДГ 1 (GaAs) | 32.7 | - | - | 32.2 | 0.00149 | 1.21 | 2.03

ДГ 2 (GaAs) | 28.8 | - | - | 28.8 | 0.00132 | 1.40 | 1.71

ДГ 3 (GaAs) | 12.8 | - | - | 12.4 | 0.00774 | 1.33 | 1.96

ДГ 3 (AlxOy-Al-GaAs) | 11.7 | - | - | 11.1 | 0.00616 | 1.48 | 1.74

ДГ 4 (Au-Cr-GaAs) | 12.5 | - | - | 12.5 | 0.00969 | 1.402 | 1.77

Третій розділ присвячено теоретичному дослідженню особливостей збудження плазмового резонансу в багатошарових структурах на основі профільованих монокристалів напівпровідників з метою найбільш ефективного перетворення падаючого p-поляризованого світла в ППП в УФ, видимій та ІЧ областях спектру.

Для вивчення впливу геометричних параметрів мікрорельєфів та оптичних і структурних параметрів плівок на резонансні властивості багатошарових ДГ було використано диференціальний підхід, який полягає в розв’язуванні рівнянь Максвела в коваріантній формі в неортогональній системі координат, пристосованій до геометрії гратки, для кожної з плівок багатошарової структури.

Параметри ППП, що збуджуються на межі поділу метал-повітря, визначались для найпростішої структури, яку можна практично реалізувати: Au-GaAs з ДГ на межі поділу. З теоретично розрахованих спектральних залежностей амплітуди хвиль, відбитих в нульовий дифракційний порядок, при кутах падіння p- і s-поляризованого світла = 0 та 60 отримано коефіцієнти відбивання RP, RS; для різних глибин модуляції h ДГ та різних товщин l верхнього металевого покриття (рис.1). Встановлено:

·

· зі збільшенням кута падіння p-поляризованого світла резонансний мінімум зміщується в ІЧ-область, де його ширина зменшується, і для однієї і тієї ж товщини металевої плівки необхідна значно менша оптимальна глибина ДГ;

·

·

· ріст товщини плазмон-несучої плівки в складний спосіб впливає на положення резонансного мінімуму: він зміщується в довгохвильову (ІЧ) область при малих кутах падіння p-поляризованого світла ( = 0), а при великих кутах ( = 60) - навпаки, в напрямку менших довжин хвиль (УФ). Коли глибина модуляції ДГ менша за оптимальну, вплив товщини металевого покриття на положення резонансного мінімуму суттєвіший;

·

a) |

б)

Рис. 1. Залежність відношення RP /RS інтенсивності відбитого в дзеркальний порядок p- та s-поляризованого світла: (a) - від довжини хвилі падаючогo світла для кутів падіння = 0 (1,2,3) і = 60 (1’,2’,3’) структури Au-GaAs (l = 70 нм) з ДГ на межі поділу (h = 10 нм) (1,1’), 20 нм (2,2’), 30 нм (3,3’)), та (б) - від глибини h модуляції ДГ для різних товщин верхнього Au-металевого покриття (l = 45 нм (1), 50 нм (2), 60 нм (3), 70 нм (4), 90 нм (5)) для кута падіння світла =60. Період ДГ d = 655 нм.

Було розраховано також величину оптимальних товщин металевих плівок (Ag, Al, Au) в структурі повітря-металеве покриття-напівпровідник (GaAs) з синусоїдальною ДГ на межах поділу для різних спектральних діапазонів та відповідні цим товщинам оптимальні глибини модуляції ДГ (для Au-плазмон-несучої плівки), при яких спостерігається найбільш ефективне перетворення падаючого р-поляризованого світла в хвилю ППП та максимальна локалізація її біля поверхні напівпровідника.

У четвертому розділі було експериментально досліджено вплив фрактальної розмірності D ДГ та оптичних (коефіцієнту заломлення n і пропускання k) і структурних (складу та товщини l) параметрів плазмон-несучих покриттів на резонансні властивості багатошарових ДГ.

Параметри металевих (Au, Al) плівок, напилених одночасно як на плоскі підкладинки так і на ДГ, визначались в широкій спектральній області (від УФ до ІЧ) з залученням розробленого комплексного методу досліджень, який включає спектральну та багатокутову еліпсометрію, спектроскопію відбивання та пропускання світла (в тому числі в умовах збудження ПР) і АСМ. Аналіз отриманих експериментальних даних із застосуванням теорії ефективного середовища Бругемана показав, що оптичні властивості тонких напівпрозорих золотих плівок товщиною 40 - 45 нм, напилених при різних температурах у вакуумі (10-4 Па) на плоскі кварцові та GaAs підкладинки, можуть бути описані сукупністю трьох шарів: середнього шару - Au-плівки з параметрами n і k об’ємного матеріалу та двох (верхнього і нижнього) шарів, утворених сумішшю золота та пустот. Однак при напиленні тонкого проміжного шару Cr товщиною порядку 1 нм адгезія золота до підкладинки покращується, внаслідок чого оптичні константи Au-плівок наближаються до оптичних констант об’ємного матеріалу, і їх можна охарактеризувати двошаровою моделлю, де нижній шар - це плівка золота з константами n і k об’ємного матеріалу, а верхній шар - суміш золота та пустот - враховує шорсткість поверхні.

При узгодженні експериментальних даних з теоретичними виявилось, що плівки Al товщиною 15 - 25 нм, напилені при кімнатній температурі у вакуумі (10-4Па) на плоскі кварцеві підкладинки, не піддаються моделюванню з допомогою теорії ефективного середовища Бругемана. Для їх опису було використано більш загальну теорію класичних осциляторів Лоренца, що дозволило визначити оптичні константи Al-плівок в області спектру = 300-1200 нм. Було враховано, що в атмосферних умовах на поверхні Al утворюється стабільний шар окислу AlxOy товщиною біля 3 нм, який ефективно захищає плівку від подальшої корозії. Ефективні оптичні параметри nеф і kеф, визначені в широкому спектральному діапазоні для металевих плівок, напилених на плоскі підкладинки, було співставлено з даними для аналогічних структур з ДГ.

З розрахунку спектральних залежностей еліпсометричного кута збудження плазмового резонансу для багатошарових структур з синусоїдальною ДГ отримано, що резонансні властивості несуцільних (пористих) металевих плівок дещо гірші, аніж об’ємного матеріалу (резонансний екстремум зміщується в сторону більших довжин хвиль, збільшується його півширина (рис. 2а, криві 1-2)), оскільки величина Im() таких плівок більша. Однак дослідження плазмового резонансу в реальних структурах показали, що вирішальну роль в загасанні ППП відіграє випадкова шорсткість ДГ, на яку напилюється тонкоплівкова гетероструктура (рис. 2а). Було також встановлено зв’язок між фрактальною розмірністю D та параметрами резонансного екстремуму для структури Au-Cr-GaAs в ІЧ області спектру. Вплив морфології ДГ на параметри резонансного екстремуму досліджувався також для багатошарової ДГ AlxOy-Al-GaAs. Виявилось, що несинусоїдальність ДГ призводить до ще суттєвіших змін резонансних властивостей виготовлених на їх основі багатошарових структур, наслідком чого є розщеплення резонансного екстремуму, яке особливо помітне при збудженні ППП s-поляризованим світлом з УФ області спектру в геометрії, коли штрихи ДГ паралельні до площини падіння променя.

а) |

б)

Рис. 2 а,б. Спектральні залежності еліпсометричного кута , отримані для багатошарових структур Au-Cr-GaAs (а) з однаковими геометричними параметрами ДГ (період d = 655 нм, глибина модуляції h = 11 нм) та товщинами металевих плівок (lAu-Cr = 45 нм) в геометрії, коли штрихи ДГ перпендикулярні до площини падіня променя: крива 1 розрахована згідно диференціального формалізму, описаного в 3-му розділі, для структури з синусоїдальною ДГ та оптичними константами металевих плівок, які відповідають параметрам об’ємного матеріалу; крива 2 розрахована для аналогічної структури з оптичними константами металевих плівок, визначеними за теорією ефективного середовища Бругемана; крива 3 - отримана експериментально методом спектральної еліпсометрії для реальної багатошарової ДГ; та для багатошарової ДГ AlxOy-Al-GaAs (d = 655 нм, h = 10 нм, lAl = 21 нм, lAlxOy = 3 нм), при різних кутах падіння світла в геометрії, коли штрихи ДГ паралельні до площини падіня променя.

Вивчався також вплив корозії плазмон-несучої плівки на поляризаційні характеристики багатошарових ДГ: Ag-GaAs(InP). Було встановлено, що резонансні властивості цих структур змінюються з часом: зменшується амплітуда резонансного екстремуму, збільшується його ширина; змінюється також фотовідгук бар’єру Шоткі, що виникає внаслідок генерації хвилею ППП електронно-діркових пар. Проведені еліпсометричні дослідження срібних плівок, напилених на плоскі кварцові підкладинки одночасно з ДГ, показали, що в процесі деградації Ag-металевого покриття на його поверхні утворюється поглинаючий шар (який містить в основному Ag2S), товщина якого з часом збільшується, а, отже, зменшується товщина плазмон-несучої плівки. Ці два фактори спричинюють послаблення ПР та збільшення фонової фоточутливості бар’єру Шоткі по всьому спектру. На початкових стадіях росту поглинаюча плівка є острівцевою, внаслідок цього посилюється чутливість структури до s-поляризованого світла та зменшується довжина поширення ППП. Деградація потенціального бар’єру міх металом і напівпровідником теж впливає на поляризаційні характеристики таких багатошарових ДГ. Оскільки поверхня InP при взаємодії з металами є більш реактивною, ніж поверхня GaAs, то в структурах Ag-власний окисел(o)-n-InP зміна параметрів резонансного максимуму фотоструму виражена сильніше. Погіршення бар’єрних характеристик структур Ag-(n-GaAs) та Ag-о-(n-InP) (зменшення прямого струму та збільшення параметру неідеальності вольт амперних характеристик) пояснюється як утворенням на поверхні металевої плівки хімічних сполук срібла, так і його дифузією в проміжний шар і напівпровідник. Кожен з цих двох процесів дає свій внесок в корозію металевого електрода та старіння структури, яке посилюється в умовах прикладеного зміщення і освітлення.

Для стабілізації параметрів багатошарових ДГ з Ag-плазмон-несучим покриттям та з міркувань оптимізації їхніх резонансних характеристик в широкому спектральному діапазоні (УФ, видима, ближня ІЧ-область) було використано як металеві (Au), так і діелектричні (SiOx, AlxOy) захисні покриття.

Для вивчення впливу властивостей верхніх Au-плівок різної товщини (10 - 20 нм) на резонансні властивості багатошарових ДГ (Au-Ag-GaAs) вимірювались спектральні та кутові залежності фотоструму короткого замикання бар’єрів Шоткі; проводились дослідження методом багатокутової відбивальної еліпсометрії оптичних характеристик плоских Au-Ag-GaAs і Au-Ag-кварц багатошарових структур, виготовлених в одному процесі осадження з ДГ. Досліджувались також процеси корозії металевих покриттів. Проведені дослідження показали, що при напиленні на поверхню Ag-плазмон-несучого покриття тонких напівпрозорих плівок Au фоточутливість структур не тільки не зменшується (збільшення товщини металевих плівок приводить до зменшення кількості фотонів, які досягають межі поділу метал-напівпровідник), а при товщині Au-плівки 10 нм навіть суттєво збільшується, спостерігається також швидша зміна з часом (деградація) параметрів резонансного екстремуму (збільшення його ширини та зменшення амплітуди). Така поведінка спектральних залежностей фотоструму короткого замикання бар’єрів Шоткі з Au-Ag металевим покриттям свідчить про несуцільність верхньої Au-плівки товщиною 9-12 нм, напиленої без підігріву на підкладинку з ДГ.

При освітленні такої структури p-поляризованим світлом в суцільній Ag-плівці в області ПР збуджуються і поширюються в основному ППП. В цій же спектральній області (600 - 1200 нм) при освітленні p-, а в більшій мірі s-поляризованим світлом в несуцільній плівці Au збуджуються плазмони, які локалізуються на металевих острівцях, що спричинює додаткове поглинання світла, а, отже, збільшення фотовідгуку бар’єру Шоткі. Зміна з часом параметрів резонансного екстремуму може бути спричинена утворенням на поверхні Ag-плазмон-несучого шару часточок Ag2S та дифузією срібла в проміжний шар і напівпровідник, а також інтердифузією золота і срібла, яка проходить навіть при кімнатній температурі та посилюється в острівцевих плівках. При збільшенні товщини плівки Au до 20 нм помітно змінюються умови збудження ПР, однак параметри резонансного максимуму залишаються відносно стабільними, що свідчить про суцільність золотої плівки.

У п’ятому розділі представлено результати досліджень, які стосуються застосування збудження плазмового резонансу у багатошарових тонкоплівкових структурах з ДГ на межах поділу в різноманітних пристроях поляритонної оптоелектроніки, та оптимізації параметрів цих пристроїв з метою підвищення їхньої ефективності.

Показано, що це явище можна ефективно використати для розробки нового типу фотодетекторів на базі бар’єрів Шоткі з ДГ на межах поділу, чутливих до довжини хвилі, кута падіння та поляризації світла, фотовідгук котрих в області збудження ППП зростає в декілька разів. Резонансний максимум фотоструму короткого замикання з найбільшою амплітудою у видимій спектральній області було отримано для структур з Ag-плазмон-несучим покриттям. Однак параметри розроблених Ag-GaAs(InP) ППР-фотодетекторів змінюються з часом внаслідок корозії металевого електрода.

Для пасивації, захисту від корозії, та як антивідбиваючі покриття в технології виробництва мікро- та оптоелектронних приладів широко використовуються тонкі прозорі діелектричні SiOx плівки, оскільки вони майже не впливають на умови збудження ППП і не змінюють суттєво їх загасання. Було досліджено оптичні та структурні властивості тонких SiOx плівок різної товщини (3 - 40 нм), напилених на багатошарові ДГ (Ag-Cr-GaAs). Вимірювались кутові залежності відбитого від зразка в дзеркальний порядок p-поляризованого світла в умовах збудження ПР. Ефективні оптичні константи SiOx плівок отримувались узгодженням розрахованих резонансних кривих з аналогічними експериментальними залежностями і досить добре співвідносились з відповідними параметрами, визначеними методом багатокутової відбивальної елiпсометрiї на плоских зразках-супутниках, котрі пройшли увесь технологічний цикл разом з тестованими зразками з ДГ. Встановлено, що для більш тонких плівок SiOx (x<0.4), отриманих вакуумним випаровуванням, характерним є збільшення концентрації Si (що виявляється у збільшенні n) за рахунок зменшення вмісту атомів кисню. При напиленні на поверхню срібла товстіших SiOx-плівок (більше 15 нм) резонансний ексремум помітно зміщується, однак його параметри залишаються стабільними, отже ці плівки є суцільними і надійно захищають Ag-плазмон-несуче покриття від корозії.

На основі виготовлених багатошарових ДГ зі стабільними параметрами резонансного екстремуму було розроблено ППР-сенсор хімічних речовин. В даному приладі необхідна точність вимірювань досягається за рахунок високої чутливості ППП до навіть незначних змін межі поділу „метал-оточуюче середовище”. Як сенсорний елемент в розробленому приладі можна використовувати різні типи (за способом реєстрації ПР) датчиків. ППР-сенсор дає можливість проводити виміри in situ, що особливо актуально при моніторингу хімічних процесів, аналізі чистоти води або будь-якої рідини (необхідний аналіз проводиться без допомоги додаткових реактивів, до того ж не руйнуючи саму речовину). Сумісність методу виготовлення таких сенсорів із стандартною мікроелектронною технологією є ще однією їхньою привабливою особливістю.

Більшість досліджень багатошарових структур проводилось в геометрії, коли штрихи ДГ були перпендикулярні до площини падіння світла. Це звичайна орієнтація гратки, при якій тільки p-поляризоване світло може конвертуватись в ППП. Однак якщо штрихи ДГ орієнтовані під кутом до площини падіння світла, то вимірювання будуть проводитись в умовах поляризаційної конверсії, коли p- і s-поляризоване світло перетворюється в ППП. Дослідження багатошарових ДГ в режимі поляризаційної конверсії проводилось з використанням спектрального еліпсометра. Скануючи по кутах падіння (або по довжинах хвиль), на фоні слабкого фонового сигналу реєструвався сильний резонансний максимум в області збудження ПР (при вимірюванні інтенсивності s-поляризованої частини відбитого від структури Au-Cr-GaAs з ДГ p-поляризованого світла). Проведені дослідження залежностей фотоструму короткого замикання бар’єрів Шоткі (Au-n-GaAs) з ДГ від кута падіння p- і s-поляризованого світла для різних азимутальних кутів , тобто для різного орієнтаційного розміщення штрихів гратки відносно площини падіння світла, показали, що чим глибша ДГ, тим більш ефективним є перетворення s-поляризованого світла в ППП для m = +1 резонансного порядку.

Основнi результати та висновки

1. Розроблено технології профілювання поверхонь напівпровідників A3B5 (GaAs, InP) та створення на їх основі багатошарових твердотільних структур з використанням металевих (Al, Ag, Au) і додаткових діелектричних захисних (SiOx, AlxOу) покриттів, які стали базою для виготовлення резонансно-чутливих до довжини хвилі, кута падіння та поляризації світла фотодетекторів та сенсорів хімічних речовин.

2. Вперше в рамках єдиної моделі, яка грунтується на концепції фракталів, було охарактеризовано поверхневі мікрорельєфи з різною морфологією: невпорядковані (дендрити), квазіперіодичні (квазігратки) та строго періодичні (дифракційні гратки), виявлено зв'язок між технологією їх виготовлення та фрактальними параметрами.

3. Показано, що зміни умов збудження та зменшення довжини поширення поверхневих плазмових поляритонів у багатошарових ДГ визначаються особливостями розсіяння на випадкових шорсткостях поверхні, що кількісно описується також величиною фрактальної розмірності D, тому випадкова шорсткість дифракційних граток, на які напилюються тонкоплівкові гетероструктури, має вирішальний вплив погіршення їхніх резонансних властивостей.

4. На основі запропонованої комплексної методології характеризації багатошарових тонкоплівкових структур, яка включає вимірювання методами спектральної та багатокутової еліпсометрії, спектроскопії відбивання та пропускання світла (в тому числі у режимі збудження плазмового резонансу), атомно-силової мікроскопії, було визначено структуру (пористість і шорсткість) та ефективні діелектричні параметри кожного шару. Показано, що оптичні параметри шарів Au найкраще описуються теорією ефективного середовища Бругемана, в той час, як плівки Al описуються моделлю класичних осциляторів Лоренца.

3. Методами чисельного моделювання проаналізовано вплив геометричних (глибини модуляції), оптичних (коефіцієнтів заломлення та пропускання) і структурних (вибору плазмон-несучого металевого покриття та його товщини) параметрів багатошарових дифракційних граток на умови збудження плазмового резонансу. Встановлено особливості конструювання пристроїв поляритонної оптоелектроніки для роботи в УФ, видимій та ІЧ областях спектру, які сприяють максимальному перетворенню падаючого світла в хвилю поверхневого плазмового поляритона.

6. Виявлено острівцеву структуру верхніх тонкоплівкових покриттів багатошарових дифракційних граток з виміряних спектральних та кутових характеристик фотоструму короткого замикання бар'єрів Шоткі в режимі збудження плазмового резонансу та визначено їхні ефективні оптичні параметри nеф і kеф; показано, що із-за острівцевої структури золотих плівок, яка призводить до зміни ефективних оптичних констант приповерхневого шару, може бути отримане підвищення ефективності роботи ППР-фотодетекторів у діапазоні енергій від 1 eV до 2 eV.

7. Показано, що в пристроях поляритонної оптоелектроніки з Ag-плазмон-несучим покриттям необхідно застосовувати захисні плівки, враховуючи вплив корозії металевого електроду на поляризаційну чутливість бар’єрів Шоткі (Ag-GaAs(InP)) з дифракційною граткою на межах поділу, запропоновано в якості захисних використовувати суцільні плівки Au товщиною не менше 20 нм, або SiOx товщиною не менше15 нм.

8. На основі виготовлених багатошарових дифракційних граток розроблено ефективні сенсори хімічних речовин, які можна використати для визначення параметрів компонент рідинних середовищ (концентрації, оптичних констант і т.д.). В розробленому приладі точність вимірювання показника заломлення n становить n=0.00016.

9. Показано, що використання явища поляризаційної конверсії в пристроях поляритонної оптоелектроніки створює додаткові можливості керування їх роботою, а також призводить до збільшення фотоструму в ППР-фотодетекторах, покращення відношення „сигнал-шум” в датчиках поляризованого випромінювання, підвищення чутливості вимірювань в різних типах ППР-сенсорів хімічних речовин.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Венгер Є.Ф., Дмитрук М.Л., Яструбчак O.Б. Дифракційні гратки на поверхні напівпровідників та їх застосування в поляритонній оптоелектроніці // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника - 1997. - №32. - С. 116-138.

2. Dmitruk N.L., Borkovskaya O.Yu., Mayeva O.I., Mamikin S.V., Yastrubchak O.B. Corrugation and passivation influence on Au-GaAs(InP) Shottky barrier characteristics // Functional Materials - 1998. - Vol.1. - P. 92-95.

3. Дмитрук Н.Л., Маева О.И., Мамыкин С.В., Яструбчак O.Б. Влияние сульфидирования диодов Шоттки Au-GaAs с профилированной границей раздела на поляритонный пик фотоответа // Письма в ЖТФ - 1997. - Т.23, №9. - С. 52-57.

4. Дмитрук Н.Л., Маева О.И., Мамыкин С.В., Фурсенко О.В., Яструбчак O.Б. Влияние коррозии металлического электрода на поляризационную чувствительность фотодетектора на основе барьера Шоттки Ag-GaAs(InP) с профилированной границей раздела // Письма в ЖТФ - 1998.- Т.24, №8. - С 76-82.

5. Dmitruk N.L., Mayeva O.I., Yastrubchak O.B., Beketov G.V. Deterministic periodical and quasiperiodical surfaces of III-V compounds: preparation, investigations and applications // Acta Physica Polonica A. - 1998. - V.94, №2. - P. 285-290.

6. Auleytner J., Barlas T., Dmitruk I., Dmitruk N., Yastrubchak O., Zymierska D. Comprehensive investigation of geometric disorder of GaAs surfaces by complementary methods // Український Фізичний Журнал - 2000. - Т.45, №2. - C. 230-235.

7. Dmitruk N.L., Borkovskaya O.Yu., Mamontova I.B., Mayeva O.I., Yastrubchak O.B. Ultraviolet responsivity control in Schottky barrier heterostructures with textured interface // Thin Solid Films - 2000. - Vol.364. - P. 280-283.

8. Dmitruk N., Mayeva O., Mamikin S., Romanenko P., Yastrubchak O. Photosensitive control of detectors based on surface plasmon-polariton resonance and Schottky structures // Proceedings 21-st International Conference on Microelectronics (MIEL’97). - Ni (Yugoslavia). - 1997. - V.1. - P.309-314.

9. Dmitruk N.L., Mayeva O.I., Mamykin S.V., Fursenko O.V., Yastrubchak O.B. Influence of multilayer coating peculiarities on efficiency of surface plasmon resonance photodetector // Proceedings of 21-th Edition International semiconductor conference (CAS’97). - Sinaia (Romania). - 1998. - V.2. - P.531-534.

10. Dmitruk N.L., Mayeva O.I., Yastrubchak O.B., Mamykin S.V., Klopfleish M. Characterization and application of multilayer diffraction gratings as optochemical sensors // Sensors and Actuators A. - 2001. - V.88, 1. - P.52-57.

11. Dmitruk N.L., Mayeva O.I., Mamykin S.V., Yastrubchak O.B. On a control of photon-surface plasmon coupling at a multilayer diffraction grating // Proceedings of the Third Interational EuroConference on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems „ASDAM’2000” - Smolenice (Slovakia). - 2000. - P.445-448.

12. Dmitruk N.L., Klopfleisch M., Mayeva O.I., Mamykin S.V., Venger E.F., Yastrubchak O.B. Multilayer diffraction gratings Al/GaAs as polaritonic photodetectors // Phys. Stat. Sol. - 2001. - Vol. 184, 1. - P. 165-174.

АНОТАЦІЯ

Яструбчак О.Б. Плазмовий резонанс в багатошарових дифракцiйних гратках на основі монокристалів GaAs та InP. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико- математичних наук за спеціальністю 01.04.07- фізика твердого тіла. - Інститут