Материал: Специальные вопросы микро- и нанотехнологий. Стогней О.В., Трегубов И.М

быть использованы в качестве матрицы для заполнения другими материалами, либо однослойная структура может применяться в качестве технологической маски. Методика изготовления однослойной структуры (рис. 7.4), обеспечивает применение нанометровых сфер в качестве технологической маски.

роль упорядоченных масок, используемых для локальной модификации поверхности. Принципы получения таких материалов аналогичны формированию синтетических опалов.

Рис. 7.4. Схема формирования однослойного массива сферических наночастиц на поверхности плоской подложки

95

Сферические частицы можно использовать для формирования наноструктуры инвертной относительно структуры опала. Например, при формировании пористого анодного оксида кремния на поверхности монокристаллического кремния р- типа осаждают сферические частицы полистирола в виде плотноупакованной 10–15–ти слойной структуры. Последующее анодное окисление подложки в 0,3 М водном растворе щавелевой кислоты и растворением полистирола в толуоле позволяет сформировать упорядоченные ППС, представленные на рис. 7.5. Аналогичным образом, но с помощью катодного осаждения формируют полупроводниковые и металлические нанокристаллические пленки со структурой инвертированного опала.

Рис. 7.5. Электронная микрофотография пористого SiO2, сформированного анодным окислением кремния через маску на основе микросфер полистирола

7.2.2. Упорядоченные пористые материалы в технологии фотонных кристаллов

Наиболее широкое применение ППС нашли в области создания и применения фотонных кристаллов. Этим термином обозначается новый класс оптических материалов, для которых характерно наличие следующих двух свойств. Первое – это периодическая модуляция (трансляционная симметрия)

96

диэлектрической проницаемости с периодом, сравнимым с длиной волны света. Второе – наличие связанной с периодичностью кристалла полной запрещенной зоны в спектре собственных электромагнитных состояний кристалла. Последнее свойство означает, что в данном спектральном диапазоне свет любой поляризации не может войти в образец или выйти из него ни в каком направлении. Эго и есть уникальное свойство фотонного кристалла, с которым принято связывать возможные революционные события в технике оптической связи, физике лазеров и оптической компьютерной технологии.

Различают три вида фотонных кристаллов, в зависимости от того, в скольких направлениях в них реализуется периодическая модуляция диэлектрической проницаемости. Это трехмерные кристаллы (наиболее ярким представителем этой группы является опал), двумерные – пористые материалы либо массивы цилиндрических структур, одномерные – брэгговские решетки.

С точки зрения применения в технологии структур для интегральной оптики наибольший интерес представляют двумерные фотонные кристаллы, так как они могут быть интегрированы в технологию создания светодиодов, лазеров и планарных волноводов. Высокая степень локализации световой волны обеспечивает низкие оптические потери в элементах интегральной оптики.

Диапазон частот, в котором реализуются уникальные свойства фотонных кристаллов, определяется периодом модуляции диэлектрической проницаемости. К числу наиболее важных задач в создании фотонной запрещенной зоны относятся следующие две: шель с «рабочей» длиной волны 1,5 мкм (стандарт telecom), щель в видимой области спектра. Для приложений в оптической связи и оптоэлектронике вблизи 1,5 мкм (ближняя инфракрасная область) постоянная решетки фотонного кристалла должна быть около 0,5 мкм. Соответственно для «освоения» диапазона более коротких длин волн требуется переход далеко в субмикронную область. Перспективными ма-

97

териалами для этого диапазона считаются самоорганизующиеся системы, такие, как коллоидные структуры и искусственные опалы и пористые полупроводники.

Для создания фотонных кристаллов применимы большинство методов полупроводниковой микроэлектроники, среди которых можно выделить нижеперечисленные.

Литография с последующим травлением. Принимая во внимание требование к обеспечению глубокосубмикронного рисунка, стандартные методы фотолитографии не могут быть применены. Обычно для этого используют электронолитографию. Известны также способы применения интерференционной лазерной.

Маскирование. Большинство двумерных фотонных кристаллов представляют собой массив вертикальных пор, сформированных в приповерхностной области полупроводника. Для их создания используют методы анизотропного электрохимического или плазменного травления. Максимально достижимая толщина ППС определяется устойчивостью маски по отношению к используемому травителю. Поэтому в качестве масок для создания ППС применяют различные диэлектрические пленки. Это могут быть пленки SiО2 и Si3N4 на кремнии либо Al2O3 на подложках A3B5 Окна в маскирующих пленках обычно создают посредством переноса изображения через металлические маскирующие слои.

«Сухое» травление. Требуемые значения аспектного отношения глубины травления к диаметру формируемых отверстий достигаются за счет оптимального выбора способа и режимов удаления материала подложки. Так как жидкостное травление, за исключением электрохимического, не обеспечивает требуемого уровня анизотропии, для создания ППС используют в основном методы плазменного травления. Для травления кремния через маску оксида или нитрида кремния используют фторсодержащую плазму (CHF3, CF4, C2F6). ДЛЯ полупроводников GaAs/AlGaAs применяют хлорсодержащую плазму на

98

основе ССl4 или С Эти же травители, а также смеси CH4/H2 используют для создания ППС на поверхности InP.

Электрохимические методы. В основе электрохимических методов формирования ППС, главным образом пористых материалов, лежит эффект локализации электрохимических реакций за счет естественного или искусственно заданного контраста электрофизических свойств обрабатываемой поверхности. Рассмотрим наиболее часто применяемые методы электрохимического формирования ППС. Среди них можно выделить пористые полупроводники и оксиды.

Кратко остановимся на некоторых особенностях получения данных материалов, для того чтобы определить их роль в технологии создания ППС.

Пористый кремний получают анодным растворением монокристаллического кремния в растворах, содержащих плавиковую кислоту. В зависимости от среднего размера пор различают нано–, мезо– и микропористый кремний, которые образуются при растворении невырожденного р–Si, вырожденных р+– и n+–Si и невырожденною n–Si и высокоомного кремния (р > 20 Ом-см) обоих типов проводимости соответственно.

Нанопористый кремний, благодаря эффекту размерного квантования носителей заряда, обладает видимой фотолюминесценцией. Однако попытки создать на его основе эффективные светодиоды оказались безуспешными из-за нестабильности и низкой воспроизводимости свойств. Среди разработанных элементов интегральной оптики можно выделить лишь планарные световоды и брэгговские зеркала. В основе получения этих структур лежит известная зависимость пористости и как следствие показателя преломления пористого слоя от плотности тока анодной обработки. Следует отметить невозможность создания упорядоченных структур на основе нанопористого кремния. Существенные результаты получены при использовании слоев мезопористого кремния в качестве адсорбционно чувствительного слоя.

99