Кремниевые наноструктуры. 
Кремниевые наноструктуры

Периодически модулируемые структуры показателя преломления, т. е., фотонный кристалл, который может модулировать поток электромагнитных волн, показывают фотонные ширины запрещенной зоны при определенных условиях [1,2]. Поскольку электронной мобильностью в полупроводнике может управлять, проектируя электронные данного материала, распространением электромагнитной волны в фотонном кристалле можно управлять, механизируя его фотонные полосы [3]. Основанные на кремнии фотонные кристаллы — одни из самых многообещающих решений благодаря их простой интеграции в кремниевой технологии, позволяя приложения в нескольких областях, таких как оптические устройс включая волноводы [4,5], резонаторы [6], и т. д. Написано много работ относительно изготовления и теоретического исследования двумерных (2D) кремниевых фотонных кристаллов [7] из-за преимуществ простой интеграции и приложений в планарных платформах [8], таких как планарные волноводы [9,10].

Пористый кремниевый фотонный кристалл еще один многообещающий вариант, для внедрения в кремниевые технологии [7,8,11]. Чтобы полностью управлять потоком электромагнитных волн, требуется трехмерный (3D) фотонный кристалл с полной шириной запрещенной зоны. Было написано много методов о возможности производства кремниевых фотонных кристаллы с 3D полной шириной запрещенной зоны, такие как реактивное ионное травление [12] с двойным углом, формирование макропор в кремнии [13], смещение угла обзора [14], и коллоидная самосборка [15]. Один из типов 3D фотонного кристалла, который привлек большое внимание, является 3D структура поленицы. Существуетнесколько методов изготовления 3D кремниевых структур поленицы, такие как кремниевый двойной обратный метод [16] и метод основанный на накладывании слоев [17]. Однако в 2000 году, Чоу и др. сообщили о изготовлении 2D фотонной кристаллической плиты, способной полностью управлять светом во всех трех измерениях [18], где периодическая диэлектрическая структура находится только в двух размерностях, и индексное руководство используется, чтобы ограничить свет в третьем. Большинство кремниевых фотонных плит, основывается на изоляторной платформе для кремния [4−6].

В данной работе представлена методика изготовления 2D/3D кремниевых фотонных кристаллов, в которых используется высокоэнергетическую запись пучка протонов и последующее электрохимическое травление объемных кремниевых пластин p-типа. Этот метод использует или целые дефектные области в высоком ионном излучении, чтобы полностью запретить процесс травления или локализацию высокой плотности дефектов в конце области высокоэнергетических протонов при управляемом излучении для изготовления кремниевых структур в объемном кремнии на определенных глубинах, на основе выборочного формирования пористого кремния в других областях во время последующего анодирования. Точно фокусируемый, высокоэнергетический ионный луч [19] сканируется на кремниевой слоистой поверхности. Поскольку ионный луч проникает через кремний, кристаллическая решетка повреждается, производя дополнительные дефекты, в следствие чего уменьшается концентрация дырок и дырочный ток [20,21]. Плотность дефектов для легких ионов, с энергиями приблизительно равна 50 кэВ, что достигает максимума близко к концу их диапазона [22]. Приостанавливая фокусируемый луч различной энергии для разного времени в различных расположениях, любой образец локализованного повреждения.

Олученная пластина электрохимически анодирована в электролите Гидрофтористой кислоты (HF). В высоком ионном флюенсе облученные области полностью запрещают формирование пористого кремния и остаются как кремний, на основе которого, Тео и др. сообщил, что изготовление периодического массива столбов диаметра подмикрона потенциально важно для изготовления фотонных кристаллов [23]. В то время как в умеренном ионном излучении, только скрытые области с высокой плотностью дефектов запрещают процесс формирования пористого кремния. Таким образом, поскольку выборка вытравлена вне глубины ионного диапазона, структура начинает становиться подрезанной из-за изотропного травления, производя кремниевое ядро, которое окружено пористым кремнием. Протонное облучение многократной энергии может использоваться, чтобы создать локализованные дефекты на различных глубинах в кремниевой пластине, чтобы произвести многоуровневые 3D структуры [24]. Изменяя протонную энергию, изменения глубины проникновения и последующие шаги травления включают изготовление истинных 3D кремниевых автономных структур.

Дополнительно в этой работе некоторые показанные структуры 2D фотонных кристаллов: квадратная решетка кремниевых столбов в воздушной матрице, которые используют полное ингибирование травления в облученных областях и 2D фотонную плиту воздушных дыр в кремниевой матрице, которая использует высоко поврежденные области в конце диапазона ионов в кремнии. Теоретические фотонные структуры полосы этих структур были вычислены, показывая полный разрыв поперечного магнитного™ для первой структуры и несколько полных разрывов поперечного электрического (TE) для второго. Чтобы далее исследовать изготовление 3D фотонной кристаллической структуры, используя этот подход, изготовление 3D кремниевых структур поленицы был показан начальный результат.

В Центре Ионных Луча, Национальном университете Сингапура, использовался Ядерный микрозонд [25]. Высокоэнергетические протоны с 200 кэВ к 1 MeV могут фокусироваться вниз к 100 нм. Управляя временем продолжительности протонов на различных точках поверхности 0.02-или 0.4-Щ· пластина кремния p-типа cm, были созданы разработанные дефектные дистрибутивы в кремниевых пластинах. Травление для облученных кремниевых пластин выполнялось в электролите HF (48%): этанол в отношении 1:1, с плотностью тока 40 mA/cm2 для 0.02-Щ· cm и 60 mA/cm2 для 0.4-Щ· пластины cm. Следующий шаг погружение KOH удаление пористый кремний.

2D фотонная решетка на кремниевой подложке: кремниевые столбы с квадратной решеткой В высоких ионных флюенсах, которые являются 1? Ч 1017/cm2 для 0.02-Щ· cm и 1? Ч 1016/cm2 для 0.4-Щ· пластины cm, плотность дефектов вдоль областей облучения от главной поверхности до конца диапазона область достаточно высока, чтобы полностью запретить электрохимические процессы травления с вышеупомянутыми условиями травления. Как показано в рисунке 1a, облучение 1-MeV протонов с высоким ионным флюенсом в объемном кремнии приводит к дефектным областям с достаточно высоко плотностью вдоль полного спектра 16.3 мm, через которые могут проникнуть протоны. Во время электрохимического процесса травления пористый кремний выборочно сформирован в необлученных областях, как показано в рисунке 1b. Вытравливающимся временем для различных плотностей тока и слоистого удельного сопротивления хорошо управляли, чтобы сохранить вытравливающуюся глубину меньше чем 16.3 мm. После удаления пористого кремния в решении KOH кремниевые структуры на подложке были получены, как в иллюстрации Схематическое представление поперечного сечения 2D фотонного изготовления решетки на кремниевой подложке. (a) запись пучка протонов и результирующее дефектное распределение. (b) Выборочное формирование пористого кремния в последующем электрохимическом травлении в электролите HF. © Удаление пористого кремния в решении KOH.

Образцы с квадратной решеткой кремниевых столбов были разработаны с различными периодами для записи пучка протонов. Рисунок 2a показывает изображение сканирующего электронного микроскопа (SEM) в наклоне на 25 °. 0.4-Щ· пластина cm была облучена с квадратным образцом решетки с 2-мm периодом, используя 1-MeV протоны, которые фокусировались к 400 нм в обоих направлениях с флюенсом 5? Ч 1016/cm2. После травления с 60 mA/cm2 в течение 5 минут и удаления пористого кремния с решением KOH, были получены кремниевые столбы в рисунке 2a. В рисунке 2b, 0.4-Щ· пластина cm была облучена с квадратной решеткой с большим периодом 4 мm и меньшим размером луча 200 нм, с тем же флюенсом, и вытравливалась в течение 6 минут в той же плотности тока.

2D автономная фотонная плита: фотонная плита с квадратной решеткой воздушной дыры в кремниевой матрице.

Рисунок 3 показывает распределение плотности дефектов по сравнению с глубиной для 250 кэВ и 1-MeV протонов в кремнии от Остановки и Диапазонов Ионов в Вопросе (SRIM) моделирование [22]. Большинство дефектов концентрируется в конце областей, где ионы останавливаются. В умеренном флюенсе для протонов на 250 кэВ, областей с достаточно высоко плотностью дефектов, чтобы запретить формирование пористого кремния только расположены на глубине приблизительно 2.4 мm; таким образом проложенный под землей кремний соединяет проводом форму, окруженную пористым кремнием.

Распределение плотности дефектов вдоль траектории ионов для 250 кэВ и 1-MeV протонов в кремнии.

Чтобы получить автономные структуры, высокоэнергетический пучок протонов 1 MeV, у которого есть глубокая глубина проникновения в кремнии, использовался, чтобы облучить строки с чрезвычайно высоким флюенсом, 1? Ч? 1012/см, в той же области, которые функционируют как поддержки, как в рисунке 4a. Флюенс строки используется здесь в случае облучения строки, где размер ионного луча меньше, чем боковая ширина высоких дефектных областей. В последующем электрохимическом травлении вытравливающимся временем и плотностью тока для различных пластин удельного сопротивления тщательно управляли, чтобы полностью подрезать области конца диапазона протонов на 250 кэВ, но не достигнуть конца диапазона 1-MeV протонов, как в рисунке 4b. Последующее погружение в разведенное решение KOH удалило пористый кремний, и автономные кремниевые провода, поддерживаемые массивными стенами, были получены, как в рисунке 4c. Рисунок 4d показывает автономные кремниевые провода с тремя различными интервалами, где протоны на 250 кэВ фокусировались к 100 нм и облучались с флюенсом строки 1? Ч? 1011/см. На основе этого было разработано изготовление 2D фотонной плиты квадратной решетки воздушных дыр в кремниевой матрице.

Схема для изготовления автономных кремниевых проводов. (a) запись Два набора строк были облучены горизонтально и вертикально в той же области, используя протоны на 250 кэВ на 0.02-Щ· пластины кремния cm, чтобы создать дефектное распределение, как показано в рисунке 5a, в котором удвоена плотность дефектов в пересекающихся частях строк. Таким образом, в процессе травления, окружающее пространство пересекающейся части не вытравлено также, давая начало формированию пористого кремния в круговых областях, как показано в рисунке 5b. После 4 минут травления с плотностью тока 40 mA/cm2 и последующего удаления пористого кремния, автономная 2D фотонная плита с квадратной решеткой воздушной дыры в кремниевой матрице была получена, как показано в рисунке 5c. Эта структура была произведена с ионным флюенсом 8? Ч? 1010/см с периодом 1.5 мm. кремний наноструктура крислалл Настраивая энергию ионов, области конца диапазона с высокой плотностью дефектов в умеренном ионном флюенсе могут быть сгенерированы на различных глубинах в пластине, и после того, как последующее электрохимическое анодирование, кремниевые провода на различных глубинах кремниевой пластины были получены. SRIM [22] вычисления в рисунке 6a показывают, что диапазон протонов в кремнии варьируется от 1.8 до 16.3 мm, когда протонная энергия увеличивается от 200 кэВ до 1 MeV.

Изготовление 3D структур поленицы. (a) Диапазон протонов в кремнии как функция протонной энергии от вычисления SRIM. (b) Области с высокой плотностью дефектов на четырех различных глубинах, используя четыре энергии с точным выравниванием (пунктирная линия демонстрирует, кремниевые провода четвертого уровня — расположенная половина периода относительно второго уровня). © SEM изображение начального результата на структуре с двумя уровнями.

Здесь, представлено изготовление 3D структуры поленицы, используя пучок протонов, пишущий, чтобы генерировать области конца диапазона с высокой плотностью дефектов на различных глубинах. Чтобы произвести структуру поленицы с одним периодом, протоны с четырьмя различными энергиями, E1, E2, E3 и E4, потребуются, чтобы облучать строки в той же области с подходящим флюенсом и выравниванием, как показано в рисунке 6b. Рисунок 6c показывает начальный результат на автономных кремниевых проводах с двумя уровнями в двух направлениях, используя протоны на 250 и 200 кэВ, соответственно, в 0.02-Щ· пластины кремния cm поддерживаются массивными стенами от 1-MeV протонов. Тщательно управляя выравниванием, ионной энергией, ионным флюенсом, и вытравливая плотность тока, 3D структуру поленицы с полной шириной запрещенной зоны, лежащей в середине инфракрасного излучения (IR), диапазон должен быть возможным.

MIT фотонный пакет полосы [26] использовался, чтобы изучить фотонную структуру полосы (PBS) этих фотонных кристаллических структур. Программное обеспечение основывается на минимизации сопряженного градиента частного Рейли в основании плоской волны [27].

PBS для кремниевых столбов с квадратной решеткой в воздушной.

Она показывает два разрыва вокруг нормированной частоты a/л? =? 0.26 и 0.29, где? =? 1.5 мm. PBS для подобных TM режимов не показывает разрыва. Частотный диапазон и размер разрыва могут быть настроены и оптимизированы переменным облучением и вытравливающимися условиями. У фотонных кристаллических структур на основе этого подхода выборочного формирования пористого кремния есть дополнительная степень настройки от пористого кремния, где процесс удаления пористого кремния в травлении KOH не проводится вместо этого. Рисунок 9 показывает карту разрыва пористости для фотонной плиты квадратной решетки пористой кремниевой дыры в кремниевой матрице с r/a? =? 0.3125 и h/a? =? 0.75, где r — радиус пористой кремниевой дыры, h — толщина плиты и периода решетки.

Мы показали очень гибкий подход использования электрохимического травления после пучка протонов, пишущего объемных пластин кремния p-типа, чтобы произвести 2D/3D основанные на кремнии фотонные кристаллы. Исследования моделирования показывают, что у структуры кремниевых столбов с квадратной решеткой есть разрывы ТМ в середине IR диапазон, в то время как у структуры воздушных дыр с квадратной решеткой в кремниевой матрице есть разрывы TE в том же диапазоне волн. У произведенного использования фотонных кристаллов этого подхода есть дополнительная степень настройки от пористого кремния. На основе платформы объемных пластин и быть совместимым с кремниевой технологией, этот гибкий метод изготовления — многообещающий кандидат.

ZD выполнил процесс изготовления. GRS, VTC и RJMP выполнили исследование моделирования. Мбайт и ZD забеременели и разработанный 2D фотонные структуры и 3D структура поленицы. ZD, MB, SA, JS, HL и AB обсуждали результаты, полученные из экспериментов. ZD записал рукопись, и GR и Мбайт помогли проектировать рукопись. Все авторы читают и утвердили финал.