книги / Электрохимические процессы в технологии микро- и наноэлектроники

перспектива создания планарных оптических линий связи для оптоэлектронных схем, разрабатываемых fra кремние­ вых подложках. Оптические волноводы на основе порис­ того кремния представляют собой двухслойную структуру, в которой слой с меньшей пористостью и, соответственно, большим показателем преломления ограничен воздухом и более пористым слоем. Такой способ формирования оп­ тических волноводов является наиболее простым в техно­ логическом исполнении, так как плотность пористого слоя легко контролируется режимами анодного формирования.

Анизотропия структуры, наблюдаемая в por-Si и свя­ занная с анизотропным характером растворения, приводит к анизотропии оптических свойств.

Пористые слои для волноводных структур формируют анодным травлением моиокристаллических пластин силь­ но легированного кремния /7-типа. В качестве электролита используют раствор плавиковой кислоты (45% водный рас­ твор) в этиловом спирте с объемным соотношением ком­ понентов соответственно 1 : 2. Формирование пористого кремния проводят в темноте, для того чтобы исключить влияние интенсивности фотогенерации неравновесных но­ сителей заряда, изменяющейся с ростом толщины пористо­ го слоя, на морфологические параметры структур.

Изменение пористости между верхним и нижним слоями пористого кремния осуществляют посредством изменения плотности тока анодирования. Формирование световодно­ го слоя проводят при меньшей плотности тока, а нижний, более пористый слой и, соответственно, имеющий пони­ женный показатель преломления, формируют при большей плотности тока. После анодного формирования двухслой­ ные структуры окисляют в атмосфере влажного кислорода при температуре 1000 °С в течение 1 ч.

Получаемые структуры характеризуются различием ве­ личины эффективного показателя преломления по отноше­ нию к свету, поляризованному под разными углами к оси распространения пор.

Известно, что поры в пористом кремнии /?+-типа распро­ страняются строго перпендикулярно к поверхности, если ис­ ходная поверхность пластины имеет ориентацию (100). В слу­ чае подложки, поверхность которой имеет ориентацию (111), поры ориентированы более хаотично, но среднее направле­ ние осей пор также совпадает с нормалью к поверхности. Для такой столбчатой структуры можно применить известные

126 Глава 2. Процессы анодного растворения в технологии, наноструктур

результаты расчета эффективной диэлектрической функции среды со значением диэлектрической проницаемости ко­ торая пронизана массивом ориентированных нормально по­ верхности цилиндров, заполненных материалом с диэлектри­ ческой проницаемостью е2. Согласно данным теоретических расчетов тензор диэлектрической проницаемости пористого материала на оптических частотах еху = (п^)2 зависит только от двух параметров, которые определяются в виде

( 2 . 1 4 )

где Р — пористость материала; ось z совпадает с осью ци­ линдров, а оси х и у образуют правую тройку.

Как следует из уравнений (2.13) и (2.14), exv> вгг при любых значениях пористости в случае пористого диоксида кремния.

Известно, что отношение объема кремния к объему обра­ зующегося диоксида характеризуется величиной 0,45. Учи­ тывая то, что в высокопористой структуре увеличение объема происходит изотропно, пористость оксида можно представить как функцию пористости исходного кремния в виде

P SiO2 = l - 0 . 4 5 5 - ^ ( l - P s l ) .

Для того чтобы учесть неидеальную ориентацию пор, предложен следующий подход к определению эффектив­ ной диэлектрической функции пористого S i0 2. Очевидно, что пористость оксида может быть определена в виде

^Si02 =^1 +^2>

где Рх —доля ненаправленных пор в объеме пористого слоя, определяющих диэлектрическую постоянную среды, в ко­ торой имеются ориентированные вдоль одного направле­ ния поры; Р2 —доля направленных пор. Эти две величины определяются выражениями

Взаимосвязь между показателем преломления матрицы и измеренными показателями преломления обыкновенного п0и необыкновенного пилучей задается в виде

К

■1Ш1Л Л J 7 1+и,1- К

Высокая чувствительность показателя преломления к структуре и пористости волноводного слоя позволяет применять измерения профилей показателя преломления для исследования кинетики формирования por-Si. Напри­ мер, для определения предельной плотности диффузионно­ го тока реакции образования гексафторида кремния в ходе образования por-Si.

Выбор режимов формирования por-Si позволяет созда­ вать многослойные структуры с изменяющимися показа­ телями преломления. На основе таких структур возмож­ на разработка не только волноводов, но и многослойных диэлектрических зеркал. Такие зеркала характеризуются большим коэффициентом отражения и малыми потеря­ ми. Зеркала состоят из чередующихся четвертьволновых слоев с высоким и низким показателями преломления. На рис. 2.27 представлена спектральная зависимость отраже­ ния 10-слойной структуры пористого кремния с толщиной каждого из отдельных слоев 2,5 мкм. Нечетные слои для зеркала формировали в электролите HF : С2Н5ОН = 1 : 1 при плотности тока 10 мА/см2 в течение 250 с, четные — при 50 мА/см2 в течение 50 с. Ширина полосы высокого отражения составляет примерно 0,57 мкм на длине волны

10мкм.

Измеренный коэффициент отражения зеркала составля­

ет примерно 0,8. Для 10-слойной структуры такая величина соответствует отношению между показателями преломле­ ния четных и нечетных слоев примерно 0,8.

Результаты исследования оптических свойств много­ слойных структур por-Si показал возможность применения этого материала при создании пассивных оптических эле­ ментов.

128 Глава 2. Процессы анодного растворения в технологии, наноструктур

Рис. 2.27. Спектральная зависимость отражения 10-слойного зеркала на основе por-Si из чередующихся 2,5 мкм слоев с разной пористостью

Макропористый кремний

Макропористый кремний получают электрохимическим травлением монокристаллических подложек обоих типов проводимости, на поверхности которых методами литогра­ фии и анизотропного травления в щелочах сформированы зародыши пор в виде инверсных пирамид. При этом форми­ рование пор происходит только в местах, заданных маской. Схема получения макропористого кремния представлена на рис. 2.28. Наиболее эффективно управлять параметра­ ми макропористой структуры удается при использовании кремния п-типа ориентации (100). В этом случае травление протекает с участием неосновных носителей заряда — ды­ рок. Необходимая для протекания реакции растворения концентрация дырок обеспечивается освещением обрат­ ной стороны пластины, либо инжекцией дырок из пред­ варительно сформированной на обратной стороне области р-типа. Под действием электрического поля неравновесные дырки движутся к обрабатываемой поверхности. Наиболь­ шая напряженность электрического поля достигается в об­ ласти вершин инверсных пирамид, что обеспечивает лока­ лизацию процесса растворения.

130 Глава 2. Процессы анодного растворения в технологии, наноструктур

d =4£опзО'/"Лр),/2 = m 0jU/iwNDu s, f 2-,

а = 21опз = d /2 (^Kp /;),/2 *(.8es0U/eND)'l2,

где U — величина изгиба зон; е и е0 —постоянные Si соот­ ветственно диэлектрическая и электрическая; ND—концен­ трация доноров.

Рассчитанные согласно приведенным формулам геомет­ рические параметры являются оптимальными, гак как от­ клонение от них приводит к образованию перекрывающих­ ся пор либо к образованию пор вне участков, определяемых инверсными пирамидами.

Для пиковой плотности тока известно следующее эмпи­ рическое уравнение:

где с - концентрация HF (мас.%); С= 3300 мА см“2 мас.%"3/2; Еа =343 мэВ; Т —температура, К.

Макропористый кремний нашел широкое применение в области создания и применения фотонных кристаллов. Этим термином обозначается новый класс оптических ма­ териалов, для которых характерно наличие следующих двух свойств. Первое свойство — это периодическая модуляция (трансляционная симметрия) диэлектрической проницае­ мости с периодом, сравнимым с длиной волны света. Вто­ рое свойство — наличие связанной с периодичностью кри­ сталла полной запрещенной зоны в спектре собственных электромагнитных состояний кристалла. Оно означает, что в данном спектральном диапазоне свет любой поляризации не может войти в образец или выйти из него ни в каком направлении. Это и есть уникальное свойство фотонного кристалла, с которым принято связывать возможные рево­ люционные события в технике оптической связи, физике лазеров и оптической компьютерной технологии.

Различают три вида фотонных кристаллов в зависимо­ сти от того, в скольких направлениях в них реализуется периодическая модуляция диэлектрической проницаемо­ сти: трехмерные (наиболее ярким представителем этой группы является опал); двумерные — пористые материалы