Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ трехслойного плапарного оптического волновода в структурах с потерями 21
1.1. Структура слоев и комплексное дисперсионное уравнение планарной трехслойной структуры на поглощающей подложке 24
1.2. Условия для определения границ диапазонов различного поведения комплексных нормализованных постоянных распространения, связанных с наличием точек отсечки 26
1.3. Аналитические выражения для толщин пленки и нормализованных постоянных распространения волн в точках отсечки и их графическое представление 28
1.4. Вид дисперсионных кривых для различных диапазонов изменения показателя преломления пленки 32
1.5. Краткие выводы 47
Глава 2. Иитегралыго-оптические фотоприемпые структуры 50
2.1. Принципы (схемы) построения фотодетекторов, сопряженных с пленарным волноводом 50
2.2. Фотодетекторы с резким и плавным переходами буферного слоя к области фотодетектирования на подложках из кремния. Оптико-физические параметры и характеристики образцов 59
2.3. Улучшение характеристик системы волновод-фотодетектор на подложках из кремния 90
2.4. Основные результаты главы 2 92
Глава 3. Исследование интегрально-оптического фотодетектора на кремниевой подложке 94
3.1. Экспериментальная многофункциональная установка для измерения оптико-физических параметров и характеристик планарных волноводных структур 94
3.2. Исследование спектральных свойств волновода с помощью встроенного в кремниевую подложку фотодетектора 100
3.3. Исследование спектральных свойств сопряженного с волноводом фотодетектора 111
3.4. Основные результаты главы 3 118
Заключение 120
Литература 123
- Условия для определения границ диапазонов различного поведения комплексных нормализованных постоянных распространения, связанных с наличием точек отсечки
- Аналитические выражения для толщин пленки и нормализованных постоянных распространения волн в точках отсечки и их графическое представление
- Фотодетекторы с резким и плавным переходами буферного слоя к области фотодетектирования на подложках из кремния. Оптико-физические параметры и характеристики образцов
- Исследование спектральных свойств волновода с помощью встроенного в кремниевую подложку фотодетектора
Введение к работе
Применение оптики в радиоэлектронике, а также дальнейшее развитие оптического приборостроения требуют микроминиатюризации и интеграции оптических элементов, устройств, схем. С развитием интегральной оптики, использующей двумерные световые пучки, распространяющиеся в виде поверхностных волн в волноводных системах, возникла новая оптическая схемотехника. Оптические и оптоэлектронные устройства объединяются на общей подложке и изготавливаются одновременно в едином технологическом процессе из одинаковых или взаимно совместимых материалов. При этом исследования планарных оптических элементов и устройств выявили ряд специфических требований к материалам и технологии, которые в большинстве случаев намного выше аналогичных требований в микроэлектронике и оптике тонкопленочных покрытий.
Актуальность работы
Интеграция электронных устройств обработки информации с вол-новодными структурами также выдвигает ряд требований к применяемым материалам и технологии, особенно к принципам построения и качеству изоляции между поглощающими и прозрачными слоями, а также к принципам сопряжения конечных (или промежуточных) оптических и приемных электронных структур. Одним из перспективных материалов, удовлетворяющих таким требованиям в качестве материала подложки, является кремний. Его использование позволит последовательно осуществить процесс микроминиатюризации и интеграции функциональных устройств обработки больших.массивов информации в едином микро-оптоэлектронном пространстве.
Материалы диэлектрических слоев планарной оптики, где сосредоточены оптические пучки и все оптические устройства, должны обладать хорошей прозрачностью (коэффициент поглощения должен быть не более Ю-3 см-1), иметь большой диапазон изменения показателя преломления 1,45—2,5, оптическую прозрачность в широком диапазоне спектра 0,35—6,0 мкм, однородную структуру, механическую прочность и стойкость к внешним химическим и радиационным воздействиям. Наиболее полно этому удовлетворяют пленки оксидов и их соединений элементов II-V групп периодической таблицы. В обзоре [1] подробно рассмотрены вопросы применения и технологические пути синтеза с заданными свойствами пленок оксидов и их соединений на непоглощающих подложках и кремнии при реализации различных планарных оптических устройств. Особенности технологии волноводных слоистых систем на основе стеклообразных материалов демонстрирует обзорная статья [2].
Наиболее полное теоретическое исследование распространения волн в открытых волноводах (в том числе и с потерями), имеющее непосредственное отношение к теме диссертации, содержится в работах В. В. Шевченко [4-8], которые оказали большую помощь в интерпретации полученных новых результатов.
Другие исследователи и научные группы также проявляли большой интерес к и-о структурам и элементам с потерями. Описаны многослойные структуры на кремнии, в частности и при наличии металлических слоев, в работах [17], [13,14], [15]. В работе [10] рассмотрена 4-слойная структура с излучением из волновода через буферный слой; приведен — 7 — пример расчета комплексных нормализованных постоянных распространения при малых значениях затухания волны вдоль направления распространения. В работе [9] рассмотрена структура с поглощением в вол-новодном слое. Эксперименты с 3-слойными структурами с потерями на кремниевых подложках (в основном для целей создания эффективных фотоприемных структур) проводились и за рубежом. В частности, были изготовлены и опробованы структуры с сопряжением с волновода с фотодиодом «в стык» [47] и с плавным скосом буферного слоя к ФЧП [48-51,53] на предмет возможности их использования в оптоэлек-тронной аппаратуре и измерения физических параметров волноведущих структур. В работе [52] продемонстрировано применение кремниевых фотоприемников для измерения рассеяния волноводной волны в плоскости волновода. Выли предприняты попытки создания и исследования спектрально-селективного и-о фотоприемника на GaAlAs [40].
Тем не менее, за пределами рассмотрения осталось описание распространения затухающих волн в 3-слойных планарных структурах с потерями в широком диапазоне изменения показателя преломления несущего слоя, а также применение таких структур в виде конкретных устройств в экспериментах по измерению спектральных характеристик волновод-ных слоев и поглощающих элементов интегрально-оптических (и-о) схем. Отсутствовало также сравнительное физическое описание встроенных в и-о схемы фотоприемных элементов с резким и плавным переходами (скосами) буферного слоя к фоточувствительной площадке (ФЧП). Диссертация позволяет заполнить этот пробел. В ней представлены новые факты, поддающиеся экспериментальной проверке, обозначены пути применения полученных результатов в задачах, связанных с измерением и расчетом параметров и характеристик и-о элементов и схем, а также при построении различного рода устройств, работа которых может быть описана в рамках проведенного рассмотрения 3-слойных волноводных структур с потерями.
В представленной работе.под потерями понимается убывание мощности (затухание) волноводной волны в пленке вдоль направления распространения. В рассматриваемой структуре оно обязано поглощению волны в материале подложки и положительной разности между действительной частью показателя преломления подложки и пленки. При правильном выборе геометрических и оптико-физических параметров сред рассматриваемой структуры волна не теряется безвозвратно, а может быть использована для других целей (например, выводится из пленочного волновода, как это происходит при призменном выводе излучения, преобразуется в другие виды, как это происходит при генерации фототока в структурах с р — n-переходами). Неправильный выбор параметров 3-слойной структуры переводит такие потери в разряд безвозвратных-(зазор между началом р — n-перехода и местом ввода излучения в 3-слойную структуру, полное внутреннее отражение от 3-слойной структуры и т.п.).
Цель диссертационной работы
Целью диссертационной работы является выявление основных закономерных особенностей распространения волн в 3-слойных плаиарных структурах с потерями (поперечных резонансов) в широком диапазоне изменения показателя преломления несущего слоя и приложение полученных результатов к описанию свойств и измерению параметров и ха-' рактеристик элементов и-о схем: планарного фотодиода и планарного волновода.
Основные задачи исследования
Описание распространения волн вдоль 3-слойной планарной структуры с потерями, изготовление и исследование 3-слойного планарного и-о элемента —планарного фотодиода— и применение полученных результатов в эксперименте по измерению спектральных характеристик и параметров элементов и-о схемы.
Метод исследования
Теоретические исследования выполнены с использованием математического аппарата теории распространения волн в планарных структурах (метод сшивания полей на плоских границах раздела сред). Условиями, в рамках которых получены результаты исследования, являются: наличие 3-слойной планарной волноводной структуры с потерями, обусловленными тем, что материал подложки имеет действительную частью показателя преломления большую, чем действительная часть показателя преломления несущего слоя, а также наличием небольшой по сравнению с действительной мнимой части показателя преломления подложки (в данном случае —Si). Математические расчеты и построение графиков выполнены в среде Mathcad 2001І Professional. Структуры образцов исследовались с применением методов электронной, интерференционной и оптической микроскопии, профилометрии и микрофотометрии.
Основные полооїсения, выносимые на защиту
1) ДЛЯ 3-СЛОЙНОЙ ВОЛНОВОДНОЙ СреДЫ С ПОТерЯМИ (пх < Пдленки <
К-е(пподложки), пподложки — комплексный) существуют диапазоны различного поведения нормализованных постоянных распространения у бегущей с затуханием по пленочному волноводу волны в зависимости от значения показателя преломления пленки; границы этих диапазонов определяются показателями преломления окружающих пленку слоев; возрастание или убывание полей мод в подложке характеризуется соотношением мнимых и действительных частей показателей преломления подложки и нормализованных постоянных распространения мод; минимальная длина 3-слойноЙ фотоприемной структуры в направлении распространения волны, в основе которой лежит 3-слойная среда с потерями, определяется мнимой частью нормализованной постоянной распространения моды; объединение на единой подложке волноводной структуры и 3-слойной структуры с потерями в виде и-о фотодиода, в отличие от структур с призменным выводом излучения из волновода, позволяет проводить спектральные измерения параметров и характеристик этих структур в экспериментах со слабыми некогерентными источниками излучения сплошного спектра (лампами накаливания).
Достоверность результатов
Достоверность результатов подтверждается непротиворечивостью выводов, полученных в результате исследований, а также согласованностью их с известными из научной литературы фактами. Результаты измерения спектральных характеристик и-о фотодетекторов в объемном варианте сравнивались с независимыми измерениями, проведенными в НПО «Геофизика» (г.Москва) и на заводе «Кварц» (г.Черновцы). Измерения с некогерентным источником излучения дублировались измерениями на длине волны He-Ne лазера.
Научная новизна
Проведенные исследования дали следующие новые результаты:
1) Численное решение комплексного дисперсионного уравнения в широком диапазоне изменения показателя преломления несущего слоя, являющегося следствием решения электродинамической задачи на — 11- распространение световой волны в трехслойной структуре с потерями методом сшивания полей на плоских границах раздела сред, выявило наличие нескольких диапазонов различного поведения нормализованных постоянных распространения волн в зависимости от изменения показателя преломления несущего слоя.
Сформулированы условия наличия или отсутствия отсечки для волн Н(ТЕ) и (ТМ)-типов, определяющие границы диапазонов изменения показателя преломления несущего слоя, в которых параметрические кривые зависимости решений дисперсионного уравнения 3-слойной среды с потерями от толщины пленки имеют различное поведение: описаны три диапазона и две пограничные точки для Я-волн и четыре диапазона и одна пограничная точка для .Е-волн.
Впервые получены аналитические выражения для определения толщин и нормализованных постоянных распространения волн в точках отсечки и приведено их графическое представление.
Впервые показано, что в зависимости от значения толщины пленки поли составляющих Еу {Ну) в направлении поперечной координаты в подложке могут как убывать, так и возрастать. Это определяется соотношением мнимых частей нормализованной постоянной распространения и показателя преломления подложки.
Проведенный анализ трехслойной структуры с потерями был непосредственно применен к описанию распространения волны на фото-чувствителыюй площадке и-о фотодетектора. Для этих целей были изготовлены образцы фотоприемных структур с резким и плавным переходами буферного слоя к ФЧП на подложках из кремния. Приведены результаты измерений оптико-физических и геометрических параметров фотоприемных структур с привлечением методов элек- тронной, интерференционной и оптической микроскопии, профило-метрии и микрофотометрии с использованием полистиролового волновода. Показано, что структура с плавным скосом буферного слоя к ФЧП по сравнению с резким работает более эффективно.
Предложены способы улучшения характеристик фотодиодных структур, сопряженных с волноводом. Даны рекомендации по улучшению работы фотодиода с резким скосом буферного слоя, делающей ее сравнимой по эффективности с работой фотодиода с плавным скосом.
Создана и применена для исследовательских целей экспериментальная многофункциональная установка для определения основных параметров и характеристик планарных волноводных структур, сопряженных с фотодетекторами, при работе с когерентным и слабыми1 некогерентным источниками излучения (лазером и лампой накаливания) в широком спектральном диапазоне.
Предложена методика и с помощью и-о фотодетектора экспериментально измерена дисперсия 3-слойной волноводной структуры и материала несущего слоя в широком спектральном диапазоне с учетом спектральных свойств самого сопряженного с волноводом фотодетектора.
Практическая значимость работы
1) Результаты проведенных исследований, а также полученные аналитические выражения и построенные на их основе графики, использо- 1 Разложение падающего на входной элемент и-о схемы излучения ог пекогерентного источника-лампы накаливашія — в спектр по длинам волн с помощью монохроматора и дальнейший вывод излучения из волновода с использованием призменного или решеточного элементов связи к внешнему по отношению к и-о структуре фотоприем пику обычно приводят к тому, что уровень сигнала на выходе находится ниже порога чувствительности схемы ваны в проектировании и-о узлов и схем для их оптимизации, выбора параметров 3-слойных структур с потерями, а также при обосновании и разработке требований к новым, устройствам и технологическим процессам изготовления и контроля планарных элементов этих схем.
В ходе исследований были намечены пути реализации фотоприемных устройств с улучшенными характеристиками, а полученные сведения об отсечках мод могут быть применены по предложенным методикам для определения количества мод многомодовых планарных волповодных структур при фиксированной длине волны или в выбранном спектральном диапазоне.
Проведенный анализ трехслойной структуры с потерями был непосредственно применен к описанию распространения волн на фо-точувствителыюй площадке интегрально-оптического фотодетектора. С помощью изготовленных образцов фотоприемных структур с резким и плавным переходами буферного слоя к ФЧП на подложках из кремния определены основные методы измерения оптико-физических и геометрических параметров фотоприемных структур с полистироловым волноводом с привлечением электронной, интерференционной и оптической микроскопии, профилометрии и микрофотометрии.
Предложенные способы улучшения характеристик фотодиодных структур, сопряженных с волноводом, зафиксированы в 6 авторских свидетельствах на изобретения, а также даны рекомендации по улучшению работы фотодиода с резким скосом буферного слоя (меза-структуры фотодиода: таблица 2.1, и. 96, с. 51).
По результатам исследований получено 6 авторских свидетельств на изобретения.
Внедрение результатов работы
Положения, разработки и научно-технические рекомендации диссертации использованы в ФГУП «НПО «Оптика» при формировании требований к современным технологическим процессам изготовления планарных структур для целей интегральной оптики, при определении перспективных направлений разработки технологического и измерительного оборудования для интегрально-оптических систем и устройств, а также при разработке планарного акусто-оптического модулятора и и-о дальномера (акт о внедрении).
Положения, разработки и научно-технические рекомендации диссертации использованы в ОАО «Альтаир» (акт о внедрении).
Материалы диссертации используются в учебном процессе по специальностям «Радиофизика и электроника», «Радиотехника» и «Проектирование и технология радиоэлектронных средств», а также в дипломном проектировании (акт о внедрении).
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались в ряде научно-технических семинаров и конференций. Среди них:
Конференция «Физика диэлектриков», Баку, декабрь 1982 г.
Всесоюзная конференция «Волоконно-оптические системы для передачи информации и измерений», Севастополь, июль 1991 г.; XLIII Научно-техническая конференция МИРЭА. Москва, май 1994 г. XXXIX Всероссийская научно-техническая конференция по проблемам математики, информатики, физики, химии и методики преподавания естественно-научных дисциплин. РУДН, Москва, 21—22 апреля 2003 г. -15 —
Структура диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и библиографического списка использованной литературы.
Первая глава посвящена теоретическому исследованию поведения распространяющихся воли в 3-слойных структурах с затуханием, вызванном наличием сильной связи волноводной системы с внешней средой в виде подложки с действительной частью показателя преломления бблыней, чем у волноводного слоя. Между волноводом и подложкой слои отсутствуют. Для конкретизации результатов в качестве подложки был выбран кремний.
Рассмотрение проблемы начинается с записи дисперсионного уравнения 3-слойной системы воздух—волновод—подложка, удобной для проведения численного эксперимента по выявлению особенностей распространения волноводных мод вдоль такой структуры и для получения аналитических выражений, связывающих параметры волны и структуры в точках отсечки.
Одним из результатов проведенного численного эксперимента явилось то, что отсечки мод наступают при действительных значениях величин Г24 и Г2І! входящих в дисперсионное уравнение (1.1)-(1.2) и похожих по виду на коэффициенты отражения плоских волн от границ сред. Другим результатом явилось слабое влияние мнимой части показателя преломления подложки на величины комплексных нормализованных постоянных распространения мод, если она мала по сравнению с действительной частью (такое наблюдается, например, у кремния). Из-за этого во многих случаях мнимой частью показателя преломления подложки (кремния) можно пренебречь.
Исходя из полученных численных результатов, аналитически определяются границы диапазонов различного поведения нормализованных лостоянных распространения мод, связанных с наличием точек отсечки. Формулируются условия наличия или отсутствия отсечки для волн различных поляризаций в зависимости от показателя преломления пленки в большом интервале его значений. Приводятся аналитические выражения для определения толщин и нормализованных постоянных распространения волн в точках отсечки и даются их графические представления.
Приводятся аналитические выражения и результаты численного расчета в графическом виде, показывающие, что поле в подложке вдоль поперечной координаты в зависимости от соотношения мнимых частей нормализованной постоянной распространения и показателя преломления подложки может как убывать, так и возрастать.
Обсуждается уширение световых пучков, связанное с наличием мнимой части нормализованных постоянных распространения. Даются рекомендации для определения границы между параметрами распространяющегося и не распространяющегося пучка.
Даются рекомендации для определения количества мод в 3-слойной структуре при наличии отсечки для заданных толщины пленки, рабочей или граничной (в случае работы в широком спектральном диапазоне) длине волны и показателей преломления сред.
В конце главы приводятся основные результаты исследований и выводы.
Вторая глава посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию и-о фотоприемных структур на кремниевых подложках.
В начале главы приводятся схемы построения фотодетекторов на разнообразных типах подложек и приводится их сравнение с ФД на кремнии. Даются сведения об основных параметрах фотоприемных структур и особенностях их использования в рамках конкретных реализаций. Обосновается выбор кремния в качестве подложки для экспериментов с фотоприемными структурами. Описываются особенности сопряжения полноводных участков с интегрированными в единую подложку фотодетекторами. Приводятся сведения об особенностях изготовления и параметрах буферных слоев Si02.
В качестве объектов для исследования изготавливаются и описываются два типа фотоприемных структур: с резким и плавным скосами буферного слоя к ФЧП. В структуре с резким скосом присутствует также скос по толщине волноводного слоя. Приводятся результаты измерений оптико-физических и геометрических параметров фотоприемных структур с привлечением методов электронной, интерференционной и оптической микроскопии, профилометрии и фотометрии с использованием полистиролового волновода. Приводятся электрические параметры фотодиодов.
Проведенный в первой главе анализ трехслойной структуры с потерями применяется к описанию распространения волн вдоль фото чувствительной площадки. Обсуждается вопрос о потерях в той и другой структурах с привлечением понятия длины пробега мод по ФЧП для 3-слойной и 4-слойной структур. Показано, что структура с плавным скосом буферного слоя к ФЧП по сравнению с резким работает более эффективно.
Предлагаются способы улучшения характеристик фотоприемных структур, сопряженных с волноводом (например, чувствительность фотодиода на кремниевой подложке можно увеличить с 0,19 до 0,34 А/Вт для "К — 0,6328 мкм). Формулируются условия улучшения работы фотодиода с резким скосом буферного слоя, делающей ее сравнимой по эффективности с работой фотодиода с плавным скосом: поскольку основной вид потерь структура с резким скосом имеет за счет отражения от грани резкой границы буферного слоя и на неоднородности типа «сту- пенька», заполнение пространства над ФЧП слоем S1O2 (при наличии плавного скоса по толщине волновода перед ФЧП) приведет к улучшению работы и образца с резким скосом, сравнимой по эффективности с образцом с плавным скосом буферного слоя.
В конце главы приводятся основные результаты исследований и выводы.
Третья глава посвящена применению и-о фотодетекторов для экспериментального исследования характеристик и параметров и-о структур, в частности, для измерения спектральных характеристик волноводного слоя и спектральных характеристик самого фотодетектора, работающего совместно с волноводом.
Проведение сложного эксперимента по измерению спектральных характеристик планарных фотодиодов с резким и плавным скосом буферного слоя к ФЧП позволило, во-первых, более аргументированно утверждать, что плавный скос, как переходный участок, работает лучше резкого со скосом по толщине волновода, во-вторых, впервые продемонстрировать преимущества встроенных в и-о схему фотоприемников, связанные со значительным увеличением чувствительности по сравнению с приемниками, расположенными за системой вывода (призмой или решеткой), для регистрации слабых потоков от некогерентиых источников излучения (ламп накаливания). В-третьих, использовать результаты предыдущих глав для объяснения особенностей поведения экспериментальных кривых, снятых для планарных ФП, сопряженных с волноводом.
Для осуществления измерений создана и описана экспериментальная многофункциональная установка, позволяющая с достаточной для практики точностью измерять фотоэлектрические, оптико-физические, геометрические и другие параметры входящих в измеряемый образец или обрамляющих его элементов. Точность измерения угла при вершине призмы ввода излучения в волновод определялась точностью измерения углов гониометром (5м). Измерение показателя преломления призмы, проводившееся по методу угла наименьшего отклонения (X — 0,6328 мкм) с несколько модифицированной методикой снятия отсчетов, позволяет довести точность измерения углов до 10" и точность определения показателя преломления призмы до ±0,0005. Зависимости показателей преломления слоя Si02 и призмы (стекло ТФ-5) от длины волны X рассчитывались по известным формулам из [18,90,91] и уточнялись прямыми измерениями на длине волны 0,6328 мкм. Показатель преломления кремния в области ФЧП и толщина и показатель преломления остаточного слоя S1O2 на ФЧП у образца с резким скосом измерялись эллипсометрическим методом. Их величины и были приняты при проведении расчетов. Наличие различного рода потерь в волноводной системе привело к некоторому уширеншо пучка, но, с применением методов усреднения диффузности объекта измерения (многократное повторение измерений и циклов измерений [84, с. 229—230]), а также применение оригинальной методики, позволило довести точность измерения действительных нормализованных постоянных распространения до ±0,0005 в центре чувствительности ФД и ± 0,001 по краям, что позволило уверенно различить разницу в показателях преломления неотожженной полистироловой пленки для Н- и Е-волп. Спектральная ширина выходной щели монохроматора составляла 1,3 нм и в процессе измерений не изменялась.
Описывается проведение измерений зависимости показателя преломления пленки от длины волны. Полученные результаты дают возможность, используя методику расчетов, описанную в главе 1, построить спектральные зависимости мнимой и действительной частей нормалнзо- ванных постоянных распространения, а также зависимости длин пробега волн по ФЧП от длины волны.
Приводятся также данные .измерения спектральных характеристик самого фотодиода при совместной работе с волноводом и при внешней засветке (так называемый «объемный» вариант). Описывается оригинальная методика измерения характеристик. Результаты отображаются в виде графиков. Графики демонстрируют также более эффективную работу фотодиода с плавным переходом буферного слоя к ФЧП. Обсуждается возможность изменения спектральных характеристик системы волновод-фотоприемник путем смещения максимума отклика ФП в сторону меньших длин волн с уменьшением значений нормализованных постоянных распространения, например, с ростом номера моды, переходом с Н- на S-поляризацию, уменьшением толщины волновода, увеличением длины пробега волны по ФЧП с утолщением остаточного слоя S1O2 на ней и т. д.
В конце главы приводятся результаты исследований и формулируются выводы.
В заключении сформулированы основные выводы по результатам, полученным в диссертационной работе.
Условия для определения границ диапазонов различного поведения комплексных нормализованных постоянных распространения, связанных с наличием точек отсечки
Решения уравнений (1.1)-(1.2) при заданных значениях показателей преломления сред и длины волны X представляют собой дискретный набор параметрических кривых ym(h) = y(h:m). Двигаясь по кривой решений ym(h) при фиксированном тп в сторону уменьшения или увеличения параметра h, можно достичь такой точки, что бесконечно малое его приращение приводит к потере решения системы уравнений (1.1)— (1.2). Такие пограничные точки, не принадлежащие множеству решений, будем называть точками отсечки. Как оказалось, в результате численного расчета, потеря решения происходит в точках, где y (h) принимает действительные значения. Рассмотрим поведение решений y(h, m, П2) системы уравнений (1.1)— (1.2) вблизи точек отсечки [21].
Численное решение этой системы позволило определить значения аргументов arg(r24) и arg(r2i) комплексных величин Г24 и Г21, входящих в дисперсионное уравнение (1.1)-(1.2). Они оказались в точках отсечки равными соответственно я и 0 для волн Нт и 0 и 0 и 0 и л; для волн Ет (здесь и далее предполагается, что характеристики слоев соответствуют лазерной длине волны \ — 0,6328мкм). Иными словами, в точках отсечки мод величины г24 и ггі действительны. Это утверждение оказалось верным в диапазоне П2 = п (щ = Re(n4)). Действительные значения величин Г А И Т 2І, если не учитывать мнимую часть показателя преломления щ, возможны в том случае, когда в точке отсечки моды мнимая часть квадрата нормализованной постоянной распространения равна нулю, а /г0Тс. 0- Условие 1т(уоТС) — 0 выполняется, если: Эти условия и определяют наличие отсечки. Изменение величин /IOTC.J RC(YOTC.) И Іт(їотс.) в зависимости ОТ Пі с учетом условий (1.5) определяют диапазоны их значений. В рамках рассматриваемой задачи наличие таких диапазонов подтверждается численными расчетами для волн Н- и -поляризаций, а их границы определяются показателями преломления сред и длиной волны \,
Аналитические выражения для толщин пленки и нормализованных постоянных распространения волн в точках отсечки и их графическое представление
Одним из результатов численного решения дисперсионного уравнения (1.1)-(1.2) явилось то, что в рассматриваемой системе слоев мнимая часть показателя преломления кремния 1т(п4) практически не влияет на значения действительной и мнимой частей у (по причине того, что Im(n4)[/Re(n4) "С 1). Поэтому в дальнейшем в основном влиянием мнимой части щ на значения у пренебрежем (вместо щ будем использовать Re(n4) = тц)- Однако, в некоторых случаях, например, при рассмотрении поведения Ну и Еу- составляющих полей в среде IV, ей нельзя будет пренебречь. Такие случаи будут оговорены особо. Аналитические выражения для /1 ,,,. и уотс. можно получить из (1.1)— (1.2), используя значения аргументов величин г в точках отсечки с учетом условий (1.5). Для Я-волн: arg(r24) = л, arg(r2i) = 0. Из уравнения (1.2) для аргументов получаем выражение для /іотс,#, а уравнение для модулей (1.1) сводится к решению алгебраического уравнения к 2 — кХ4 кх\ с действительными величинами и дает выражение для уотС.я. Еще раз обратим внимание на то, что нормализованная постоянная распространения в точке отсечки может принимать либо действительные, либо чисто мнимые отрицательные значения.
В результате имеем Подставляя у0тс.н в выражение для hOTc.H, можно формулу для толщины отсечки записать в несколько ином виде: Заметим, что в полученном выражении уотс.я не зависит от номера моды т. примененное к уравнению (1.2) для аргументов, дает аналитическое выражение для hOTC.2E, а уравнение для модулей (1.1) сводит к решению алгебраического уравнения кх\ — кХ4 с действительными величинами и дает выражение для уОТС.2Е- В результате имеем: Заметим, что в полученном выражении уотс.2 не зависит от номера моды тп, а также от щ, причем она всегда действительна. Для рассматриваемой системы слоев Уотс.2; = 0,968; 2) условие примененное к уравнению (1.2) для аргументов, дает аналитическое выражение для h0TC,3E, аналогичное выражению (1.6) для Я-волн: Уравнение для модулей (1.1) сводится к решению алгебраического уравнения Щ.2 = кхг kxi с действительными величинами и дает выражение для УотаЗЯ) действительной или чисто мнимой. Однако, простого аналитического выражения уже не получается: уОТс.З ищется как решение алгебраического уравнения 4-й степени. Введя новую переменную Анализ формул (1.6)-(1.12) показал, что существуют ограничения на изменение значений показателя преломления пленки п і в смысле наличия отсечки.
Эти ограничения связаны с тем, что при некоторых значениях п-ч знаменатели в выражениях для нормализованных постоянных распространения и толщин отсечки обращаются в нуль или подкоренные выражения для толщин отсечки становятся отрицательными. Диапазоны изменения П2, когда подкоренные выражения в точках отсечки имеют смысл одновременно для толщины пленки и нормализованных постоянных распространения мод: Для -волн отсечки существуют во всем диапазоне изменения пг. Однако, как это будет показано ниже, отсечки, соответствующие разным условиям действительности величин Г24 и Г21 принадлежат разным ветвям кривых y(h, т) и в некоторых диапазонах существуют не одновременно. Графики зависимостей уотс и /гОТс. т показателя преломления пленки п% для первых пяти мод Н- и J -ВОЛН приведены на рис. 1.2—1.4.
Фотодетекторы с резким и плавным переходами буферного слоя к области фотодетектирования на подложках из кремния. Оптико-физические параметры и характеристики образцов
Выбор кремния в качестве подложки для проведения экспериментов с 3-слойными структурами с большим поглощением определился тем, что кремний является наиболее важным полупроводниковым материалом для опто-электронной промышленности [30], [1, с. 14], [67, кн. 1]: — кремний является отличным материалом для изготовления фотодетекторов, который вместе с оптическими волокнами можно использовать в системах оптической связи, т. к. область низких оптических потерь в волокнах, лежащая в диапазоне длин -волн от 0,8 до 1 мкм, совпадает с областью высокой чувствительности кремниевого фотодетектора; — кремний, ширина запрещенной зоны которого равна 1,1 эВ заменил германий и позволил почти полностью исключить его как материал для производства твердотельных приборов. Кремниевые приборы могут работать в диапазоне температур до 150С, тогда как приборы на основе германия —в интервале температур до 100С; — успешное развитие планарной технологии, в частности создание совершенной изоляции между элементами сверхбольших интегральных схем, связано с высоким качеством термически выращенной окиси кремния, в то время как, например, окись германия растворима в воде, и потому непригодна для производства многих видов приборов. Очень сложно вырастить высококачественный окисел на поверхности GaAs, так как один элемент окисляется легче другого, оставляя на поверхности металлическую фазу. Такой материал сложно легировать и трудно получать слитки большого диаметра и совершенной кристаллической структуры. Более того, развитие технологии соединений AInBv тесно связано с достижениями в области кремниевой технологии; — для кремния хорошо отработана технология создания достаточно толстых окисных пленок с высоким оптическим качеством поверхности для изоляции наносимых на нее волноводных слоев от поглощающей кремниевой подложки с большим показателем преломления.
Получены пленки высокого качества толщиной до 2 мкм и более, что достаточно для обеспечения пассивной изоляции волно-ведущего слоя от подложки в диапазоне длин волн до 1 мкм. Кроме того, толстые пленки окисла сами могут служить в качестве вол-новедущих слоев для создания различного рода оптических схем, например, высокоэффективных интегрально-оптических поляризаторов [17]. Необходимо отметить также возможность использования кремниевых пластин большого диаметра (до 150 мм), что важно для систем интегральной оптики с ее сравнительно протяженными участками формирования пучков необходимых оптических свойств; — осажденные при высоких температурах или отожженные пленки окисла проявляют свойства, сходные с термически выращенными пленками двуокиси кремния; — окислы, легированные фосфором, мышьяком или бором могут слу- жить в качестве диффузионных источников для создания технологичных интегрально-оптических приборов на кремниевых подложках, в частности фотоприемных структур [55-59], [67, с. 143]; — в экономическом отношении применение кремния в электронике более выгодно, чем использование других полупроводников, например, германия, так как стоимость кремния высокого уровня чистоты в десять раз ниже стоимости германия. Как уже отмечалось, наибольшее распространение в качестве изолирующего слоя получил диоксид кремния (S1O2), создающий предельно совершенную границу раздела с подложкой и поверхность довольно высокого оптического качества, позволяющую наносить тонкопленочные волноводы или самой служить приповерхностным слоем заглубленного волновода на БЮг. Волноводные качества поверхности можно улучшить с помощью дополнительных технологических приемов, таких как, например, ионная полировка [60], лазерный [61] или температурный отжиг [67]. Защита поверхности кремния при помощи S1O2 имеет определенные преимущества по сравнению с покрытиями из других диэлектрических материалов и широкозонных полупроводников (например, SisN, , SiC). Диоксид кремния — диэлектрик универсального применения. В нем удачно сочетаются высокая химическая стабильность в окислительной среде, склонность к стеклообразованию, способствующая формированию беспористых пленок, удовлетворительные электрофизические характеристики, с одной стороны, а с другой стороны, Si02 легко растворяется в плавиковой кислоте, что облегчает процесс фотогравировки при изготовлении плапарных структур. В то же время по отношению к смесям HF + HNO3 пленка S1O2 практически стабильна. Это и позволяет использовать ее в качестве маски при селективном травлении кремния [70].
Исследование спектральных свойств волновода с помощью встроенного в кремниевую подложку фотодетектора
Приводятся экспериментальные результаты по исследованию дисперсионных свойств планарного волновода на окисленном кремнии, интегрально объединенного с планарным фотодстектором. Представлена методика и показана возможность измерения дисперсии тонких и сверхтонких пленок по спектральным зависимостям нормализованных постоянных распространения волноводной структуры в широком спектральном диапазоне. Обсуждаются особенности измерений, вызванных наличием вводной призмы и интеграцией волновода с фотодетектором.
Как известно, оптические волноводы являются базовыми элементами интегральной оптики и широко используются при создании разнообразных интегрально-оптических устройств. В качестве источника излучеиия в подобных устройствах практически всегда предполагается использование лазера или светодиода с узкой линией излучения. Однако существует ряд перспективных применений планарных волноводов, в которых волновод может использоваться в широком спектральном диапазоне. К таким применениям относятся, например, волноводные спектроскопические измерения тонких и сверхтонких пленок и жидкостей [85,88,92-94], устройства спектрального уплотнения каналов [95], фотоприемные интегрально-оптические устройства [96], многоканальные разветвители-объединители, созданные по планарной технологии [83], и др. Для подобных применений необходимо с большой точностью знать полные дисперсионные характеристики волноводных структур во всем используемом диапазоне с тем, чтобы оптимальным образом сконструировать необходимые планарные элементы (устройства ввода, отражатели, линзы и т. д.) и правильно интерпретировать выполненные измерения.
Необходимым элементом многих интегрально-оптических устройств является фотодетектор или линейка близко расположенных фотодетекторов, которые выполняют роль своеобразного «интерфейса» между оптической и электрической схемами. При этом на информационную емкость и динамический диапазон работы устройства в целом существенное влияние будут оказывать рассеяние и отражения волноводных волн, которые особенно велики, если детектор расположен вне оптической схемы. Помещая детектирующий элемент непосредственно в оптическую схему, можно практически полностью избежать потерь за счет френе-левских отражений и существенно уменьшить рассеяние света на переходе волновод - детектор и тем самым повысить чувствительность и надежность устройства, улучшить его эксплуатационные характеристики, исключить необходимость в целом ряде юстировочных операций наконец использовать более дешевые и доступные источники света - лампы накаливания [88].
В настоящей работе впервые исследуются дисперсионные свойства планарного волновода на окисленном кремнии, интегрально объединенного с планарным фотодетектором- Такая структура в диапазоне чувствительности фотодетектора может служить основой многих практических устройств и, в частности, эффективно использоваться для спектроскопических измерений тонких и сверхтонких слоев.
Исследуемая система представляла собой планарный волновод из полистирола, нанесенный на подложку из окисленного кремния [80]. Толщина буферного термически окисленного слоя кремния d составляла 1,1 мкм. В подложке кремния n-типа проводимости методами традици онной диффузионной технологии были изготовлены фотодиод с р п переходом и соответствующие алюминиевые электроды. Схематично исследуемая структура представлена на рис. 3.2. Заметим, что профиль волноводного слоя не повторяет профиль буферного слоя в области границ фотодетектора. Модовый состав и фазовые замедления волиоводных мод экспериментально исследовались в спектральном диапазоне 0,57— 1 мкм. Измерения зависимости нормализованных постоянных распространения волноводных мод от длины волны проводились на установке, блок-схема которой приведена на рис. 3.3. Свет от лампы накаливания 1, пройдя диафрагму 2, конденсорную линзу 3, монохроматор 4, модулятор 5, коллимирующую линзу 6 с диафрагмой 8, поляризатор (призма Глана) 9, попадал на линзу 10, а затем на вводную призму 12 волноводиои структуры 13, которая размещалась на столике гониометра ГС-5. Далее введенный в волновод свет в виде волноводной моды распространялся по материалу пленки и обрамляющих ее сред и затем, достигнув фоточувствительной области 14, поглощался в кремнии, генерируя свободные носители, которые и создавали регистрируемый фототок. Для индикации резонансного ввода в волновод света на заданной длине волны использовалась цепь фотодиод(14)—усилитель( 15)—осциллограф (16)—синхронный детектор(17), дающая возможность надежно регистрировать слабые потоки квазимонохроматического некогерентного света от лампы накаливания. Нулевой отсчет для всех углов ввода ф(\) устанавливался по отраженному от передней грани вводной призмы лучу с совмещением его центра с центром диафрагмы 8 на длине волны 600 нм. Спектральная ширина выходной щели монохроматора устанавливалась равной 1,3 нм и в процессе измерений не изменялась.