Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Периодические неоднородности, сформированные на поверхности полупроводниковых приборов с гетеропереходом

Диссертация: Периодические неоднородности, сформированные на поверхности полупроводниковых приборов с гетеропереходом
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

В настоящей диссертационной работе проведено компьютерное моделирование процесса проявления неорганического фоторезиста на основе халь-когенидного стекла. Исследована периодическая структура, уменьшающая отражение от поверхности и дающая дифракционные порядки в материал прибора, на поверхности которого она сформирована. Также исследована применимость теории эффективной среды для объяснения… Читать ещё >

Периодические неоднородности, сформированные на поверхности полупроводниковых приборов с гетеропереходом (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • 1. Периодические структуры: методы формирования, интерференционные и дифракционные свойства
    • 1. 1. Формирование периодических структур методом интерференционной фотолитографии
    • 1. 2. Неорганический фоторезист на основе халькогенидного стекла
    • 1. 3. Просветляющие покрытия на основе периодических структур

Актуальность темы

диссертации Развитие оптоэлектроники предполагает создание систем с высокой степенью интеграции, одним из важнейших инструментов которой является дифракционная решетка. Для широкого применения дифракционных решеток в приборах, рассчитанных на оптический диапазон электромагнитного излучения, необходима экономически эффективная технология формирования периодических структур на поверхности полупроводниковых приборов. В настоящее время развиваются две технологии, потенциально пригодные для создания подобных структур: наноимпринтинг и интерференционная фотолитография с использованием фазовой маски. В обеих технологиях в качестве шаблона применяются периодические структуры с высокой частотой повторения элементов. Шаблоны изготавливаются методом электронной литографии, что значительно повышает стоимость периодических структур. В данной работе рассматривается возможность изготовления периодических структур с субмикронным периодом методом интерференционной фотолитографии с применением неорганического фоторезиста на основе халькогенидного стекла, что позволит заметно удешевить создание периодических структур в обеих технологиях.

Для того чтобы подобрать параметры экспозиции для изготовления периодической структуры с наименьшим размером элемента, необходимо исследовать влияние следующих параметров на форму профиля периодической структуры: дозы экспозиции, контраста интенсивностей экспонирующих пучков, зависимости скорости растворения фоточувствительного материала от дозы экспозиции и эффекта стоячей волны. Наименее затратным методом достижения этой цели является компьютерное моделирование. Представляется возможным использовать непосредственное измерение зависимости скорости растворения от дозы экспонирующего излучения. Такой подход дает возможность построить довольно точную модель проявления фоторезиста, единственным приближением которой является пространственная дискретизация моделируемого профиля. Данная модель позволит с необходимой точностью определить не только влияние параметров экспозиции на форму профиля, но и критические моменты проявления фоторезиста: вскрытие подложки, перетравливание маски вследствие влияния стоячей волны, достижение маской необходимой толщины и ширины штриха.

Возможность создания периодических структур с периодом меньше длины волны электромагнитного излучения видимого диапазона делает возможным применение еще одного интересного свойства периодических структур с высокой пространственной частотой — способность таких покрытий уменьшать отражение от поверхности, на которой они сформированы.

Применение периодических структур в качестве просветляющих покрытий полупроводниковых приборов позволяет заметно улучшить ввод и вывод излучения [1]. Однако неосвещенным остается вопрос о возможном сочетании интерференционного эффекта, обуславливающего уменьшение отражения света от периодической структуры [2], и дифракционных эффектов. Поскольку коэффициенты преломления полупроводниковых материалов достаточно велики, возможна ситуация, при которой периодическая структура не создает дифракционных порядков в воздухе, но формирует дифракционные порядки в материале. Обзор литературы показал, что периодические структуры, одновременно позволяющие уменьшить отражение от поверхности и осуществить дифракционный ввод излучения в прибор, не исследованы. Вследствие чего остается не исследованным механизм уменьшения отражения света от поверхности таких структур. Носит ли он интерференционный характер, как в случае с периодическими структурами, которые уменьшают отражение от поверхности и не формируют дифракционных порядков? Возможно ли, чтобы уменьшение отражения было вызвано перенаправлением света в дифракционные порядки в материале? Периодические структуры, которые не только уменьшают отражение от поверхности, что позволяет пропустить максимум падающего излучения в активную область прибора, но и формирующие дифракционные порядки в материале, нозволят увеличить поглощения света в активной области за счет направления света под углом к поверхности прибора. Также необходимо выяснить распределение интенсивности прошедшего в прибор излучения между нулевым порядком дифракции и высшими порядками.

Для ответа на поставленные выше вопросы необходимо рассчитать эффективность дифракции на периодических структурах с высокой пространственной частотой повторения элементов, когда период структуры сравним с длиной волны в материале. Для расчета был выбран метод, основанный на решении уравнения Гельмгольца в ограниченной области с искусственными краевыми условиями [3,4].

В настоящей диссертационной работе проведено компьютерное моделирование процесса проявления неорганического фоторезиста на основе халь-когенидного стекла. Исследована периодическая структура, уменьшающая отражение от поверхности и дающая дифракционные порядки в материал прибора, на поверхности которого она сформирована. Также исследована применимость теории эффективной среды для объяснения просветляющего эффекта периодических структур, формирующих дифракционный порядок в материале, из которого они изготовлены.

Целью диссертационной работы является: исследование периодических структур, уменьшающих отражение от поверхности полупроводникового прибора и формирующих дифракционный порядок в материале, а также возможности экономически эффективного изготовления таких структур.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые рассмотрены периодической структуры, совмещающие как свойство уменьшения отражения от поверхности, так и дифракционный ввод света в материал.

2. Рассмотрена возможность применения теории эффективной среды для расчета профиля периодической структуры, уменьшающей отражение от поверхности и формирующей дифракциоиные порядки в материале.

3. Разработан метод компьютерного моделирования проявления неорганического фоторезиста на основе халькогенидного стекла, основанный на прямых измерениях зависимости скорости проявления фоторезиста от дозы экспозиции.

Исследование влияния параметров экспонирования на форму штриха периодической структуры, а также рассмотрение дифракционных свойств периодических структур, уменьшающих отражение от поверхности, позволяют сформулировать.

Практическую значимость работы:

В диссертационной работе впервые рассмотрены дифракционные свойства периодических структур, уменьшающих отражение от поверхности полупроводниковых приборов, и предложено использовать такие структуры для увеличения эффективности фотопреобразования в полупроводниковых приборах с гетеропереходом. С помощью компьютерного моделирования, использующего прямые измерения зависимости скорости проявления фоторезиста от дозы экспозиции, найдены параметры оптимальной засветки для изготовления периодических структур методом интерференционной фотолитографии с применением неорганического фоторезиста на основе халько-генидного стекла.

Отсюда следуют положения, выносимые на защиту:

• Возможно совместить дифракционный ввод света с интерференционным механизмом уменьшения отражения от поверхности.

• Теория эффективной среды применима для расчета эффективного показателя преломления периодических структур, уменьшающих отражение от поверхности и обладающих дифракционными порядками в материале.

• Использование прямых измерений зависимости скорости проявления фоторезиста от дозы экспозиции позволяет провести компьютерное моделирование процесса проявления фоторезиста, ограничением точности которой является только пространственная дискретизация моделируемого профиля.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на семинарах лаборатории оптики на гетероструктурах ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН, международных симпозиумах «Nanostructures: Physics and Technology (С.-Петербург, 2003, Новосибирск, 2007), на международном симпозиуме ICONO/LAT (Минск, 2007).

Публикации. По результатам исследований, составляющих содержание диссертации, опубликовано 7 печатных работ, в т. ч. 2 статьи в реферируемых журналах:

1. S.I. Nesterov, D.V. Myagkov and E.L. Portnoi, Nanoscale periodical structures fabricated by interference photolithography // 11th Int. Symp 'Nanostructures: Physics and Technology', (Saint-Petersburg, 2003).

2. S.I. Nesterov, D.V. Myagkov and E.L. Portnoi // Int. J. of Nanoscience, — Vol. 3, — N. 1 к 2 (2004).

3. Д. В. Мягков, В. Э. Грикуров, С. И. Нестеров, ЕЛ. Портной, Два механизма взаимодействия света с фазовой дифракциониой решеткой. // Письма в ЖТФ, Том 32, Вып. 24 Стр. 62−67, 2006.

4. D.V. Myagkov, М.О. Nestoklon and E.L. Portnoi, Computer simulation of inorganic photoresist based on chalcogenide glass AS2S3 development // Proc. 15th International symposium Nanostructures: Physics and Technology. — P. 86−87, (Novosibirsk, 2007).

5. D.V. Myagkov, V.E. Grikurov, S.I. Nesterov and E.L. Portnoi, Antireflective gratings with diffraction orders in transmitted light for optoelectronic applications // Proc. 15th International symposium Nanostructures: Physics and Technology. — P. 145−146, (Novosibirsk, 2007).

6. D.V. Myagkov, V.E. Grikurov, S.I. Nesterov, and E.L. Portnoi, Periodical structures with antireflective and diffraction properties // Proc. SPIE 6732, 673 210 (Jun. 28, 2007).

7. D.V. Myagkov, M.O. Nestoklon, and E.L. Portnoi, Simple and effective algorithm of inorganic resist As2S3 development simulation //Proc. SPIE.

6732, 67321V (Jun. 28, 2007).

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Она содержит 87 страниц текста, включая 33 рисунка. Список цитируемой литературы содержит 57 наименований.

Основные результаты диссертации сводятся к следующему:

• С помощью компьютерного моделирования процесса проявления неорганического фоторезиста на основе халькогенидного стекла исследовано влияние параметров экспозиции на форму профиля периодической структуры, что позволило изготовить структуру с минимальным размером элемента.

• Компьютерное моделирование позволило определить оптимальную дозу дополнительной однородной засветки для уменьшения влияния эффекта стоячей волны на форму вертикального края штриха.

• Предложен новый тип оптоэлектронных приборов, совмещающих дифракционный ввод света с интерференционным механизмом уменьшения отражения от поверхности.

• Исследована дифракционная эффективность периодической структуры, сформированной на поверхности полупроводникового материала.

Показана применимость теории эффективной среды для периодических структур, уменьшающих отражение от поверхности и дающих дифракционный порядок в материал прибора.

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность научному руководителю, кандидату физико-математическ наук Портному Ефиму Лазаревичу, Нестерову Сергею Ивановичу, а также проф. В. Э. Грикурову за интерес к работе и критические замечания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа посвящена исследованию периодических неодно-родностей, сформированных на поверхности полупроводникового прибора, позволяющих одновременно уменьшить отражение падающего излучения и направить часть прошедшего излучения в дифракционный порядок в материале прибора, а также возможности экономически эффективного изготовления таких структур методом интерференционной фотолитографии с применением неорганического фоторезиста на основе халькогенилного стекла. С помощью численного моделирования рассчитана дифракционная эффективность предложенной структуры. Проведено компьютерное моделирование процесса проявления неорганического фоторезиста на основе халькогенидного стекла.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Pfeffer М., Nanotechnology in optics advances subwavelength-structured surfaces // Europhotonics, — 2003. — № 5. — P. 33−34.
  2. Brundrett D: L., Glytsis E.N., Gaylord T. K, Homogeneous layer models for high-spatial-frequency dielectric surface-relief gratings: conical diffraction and antireflection designs' // Appl. Opt., 1994. — V.33. — № 13. — P. 11 051 112.
  3. Grikurov V.E., Heikkola E., Neittaanmaki P., Plamenevskii B.A., On Computation of Scattering Matrices and on SurfaceWaves for Diffraction Gratings // Numerische Mathematik, 2003. — V. 94. — P. 269−288.
  4. Grikurov V.E., Scattering, trapped modes and guided waves in waveguides and diffraction gratings // Proceedings of the First East-West Workshop on Advanced Techniques in Electromagnetics, 2004, Warsaw, May 20−21. quant-ph /406 019.
  5. Anderson W.R., Bradley C.C., and McClelland J.J. and Celotta R. J., Minimizing feature width in atom optically fabricated chromium nanostructures // Phys. Rev. В., 1999. — V. 59. — № 3. — P. 2476.
  6. Yu D.P., Lee C.S., Bello I., Sun X.S., Tang Y.H., Zhou G.W., Bai Z. G, Silicon wires by eximer ablation at high temperature // Solid State Communications, 1998. — V. 105. — № 6. — P. 403−407.
  7. Perriere J., Millon E., Chamarro M., Morcrette M., and Andreazza C., Formation of GaAs nanocrystals by laser ablation // Appl. Phys. Lett., 2001. — V. 78. — № 19. — P.2949.
  8. Scott C.D., Arepalli S., Nikolaev P., Smalley R.E., Growth mechanisms for single-wall carbon nanotubes in a laser-ablation process // Appl. Phys. A., — 2001. V. 72. — № 5. — P. 573−580.
  9. Kanai M., Kawai Т., Control of the atomic layer-by-layer growth process in laser molecular beam epitaxy with the emission monitoring method // J. of Crystal Growth., 1998. — V. 187 — Ж 2 — P. 240−244.
  10. McClelland J.J., Cellota R.J., Laser-focused atomic deposition -nanofabrication via atom optics // Thin Solid Films, 2000. — V. 367.- № 1−2. P. 25−27.
  11. Zaidi S.H., Brueck S.R., Interferometric lithography for nanoscale fabrication // Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng., 1999. — P. 3618.
  12. V., Mishak A., Szabo I., Веке D.L., Kikineshi A., Photoinduced transformations and holographic recording in nanolayered a — Se/As2S3 and AsSe/As2Sz films // Appl. Phys. A 1999 — V. 68. — P. 489−492.
  13. Bolsen M, Buhr G, Merrem H. J, K. van Werden, One micron lithography using a dyed resist on highly reflective topography // Solid State Tech., — 1983. N. 2.
  14. Bartolini R. A., Characteristics of Relief Phase Holograms Recorded in Photoresists // Appl. Opt., 1974 — V. 13. No. 1.
  15. Dill F.H., Hornberger W.P., Hauge P. S., Shaw J.M., Characterization of Positive Photoresist // Trans. El. Dev., 1975. — V. ED-22. — № 7.
  16. Johnson L.F., Kammlot G.W., Ingersoll, Generation of periodic surface corrugations // Appl. Optics., -1978. V. 17. — №. 8. — P. 1165.
  17. Dill H., Optical Lithography // IEEE Transaction on electron devices., -1975. V. 33, — N. 7. — P. 440−445
  18. Zanke Ch., Gombert A., Erdmann A., Weiss M., Fine-tuned profile simulation of holographically exposed photoresist gratings // Opt. Comm., — 1998.-N. 154-P. 109−118.
  19. Kolobov A.V., Tanaka K., Handbook of Advanced Electronic and Photonic Materials and Devices' // Academic Press, 2001. — V. 5. — P. 47.
  20. .Т., Стеклообразный сульфид мышьяка и его сплавы // Кишинёв, Штиинца, 1981.
  21. В.В., Герасименко B.C., Химинец О. В., Турянеца И. Д. и Че-пур Д.В., Колебательные спектры стекол бинарной системы As-S // ФХС 1978. — Т. 4. — № 6. — стр. 648.
  22. Bernhard C.G., Structural and functional adaptation in a visual system // Endeavor, 1967. — V. 26 — P. 79−84.
  23. Wilson S.J. and Hutley M.C., The optical properties of 'moth-eye' AR surfaces // Optica Acta., 1982. — V. 29. — P. 993−1009.
  24. Enger R.C. and Case K., Optical elements with ultrahigh spatial-frequency surface corrugations // Appl. Opt., 1983. — V. 22. — № 20, — P. 3220−3228.
  25. Nesterov S.I., Myagkov D.V. and Portnoi E.L., Nanoscale periodical structures fabricated by interference photolithography // Int. J. of Nanoscience, 2004. — V. 3, № (1 & 2).
  26. Enger R.C. and Case K., High-frequency holographic transmission gratings in photoresist // J. Opt. Soc. Am. A, -1983. V. 73. — № 9. — P. 1113−1118.
  27. Born M., Wolf E., Principles of Optics // Pergamon press, 1968.
  28. C.M., Электромагнитные свойства мелкослоистой среды // ЖЭТФ, 1955. — Т. 29. — Вып. 5. — Ж 11. — Р.605−616.
  29. Gaylord T.K., Baird W.E., Moharam M.G., Zero reflectivity high spatial-frequency rectangular-groove dielectric surface-relief gratings // Appl. Opt., 1986. — V. 25. — P. 4562−4567.
  30. Ono Y., Kimura Y., Ohta Y., Nishida N., Antireflection effect in ultrahigh spatial-frequency holographic relief gratings // Appl. Opt., 1987. — V. 26. -P. 1142−1146.
  31. Glytsis E.N., Gaylord Т.К., High-spatial-frequency binary and multilevel stairstep gratings: polarization-selective mirrors and broadband antireflection surfaces// Appl. Opt., 1992. — V. 31. — P. 4459−4470.
  32. Raguin D.H., Morris G.M., Antireflection structured surfaces for the infrared spectral region // Appl. Opt., 1993. — V. 32. — P. 1154−1167.
  33. Raguin D.H., Morris G.M., Analysis of antireflection structured surfaces with continuous one-dimensional surface profiles // Appl. Opt., 1993.- V.32. P. 2582−2598.
  34. Brauer R., Bryngdahl 0., Design of antireflection gratings with approximate and rigorous methods // Appl. Opt., -1994. V. 34. — № 33. — P. 7875−7882.
  35. Kikuta H., Yoshida H., Iwata K., Ability and Limitation of Effective Medium Theory for Subwavelength Gratings // Opt. Rev., 1995. — V. 2.- № 2. P. 92−99.
  36. Gaylord Т.К., Moharam M.G., Analysis and Applications of Optical Diffraction by Gratings // Proc. IEEE., 1985. — V. 73. — Ж 5.
  37. Moharam M.G., Gaylord Т.К., Rigorous coupled-wave analysis of planar-grating diffraction //J. Opt. Soc. Am. A, 1981, — V. 71. — № 7. — P. 811 818.
  38. Moharam M.G., Gaylord Т.К., Diffraction analysis of dielectric surface-relief gratings // J. Opt. Soc. Am. A, 1982, — V. 72. — № 10. — P. 13 851 392.
  39. Moharam M.G., Gaylord Т.К., Three-dimensional vector coupled-wave analysis of planar-grating diffraction // J. Opt. Soc. Am. A, 1983. — V. 73. -№ 9.-P. 1105−1112.
  40. Moharam M.G., Grann E.B., Pommet D.A., Gaylord Т.К., Formulation for stable and efficient implementation of the rigorous coupled-wave analysis of binary gratings // J. Opt. Soc. Am. A-1995. V. 12. — № 5. — P. 1068−1076.
  41. Peng S., Morris G.M., Efficient implementation of rigorous coupled-wave analysis for surface-relief gratings // J. Opt. Soc. Am. A- 1995. V. 12.- № 5. P. 1087−1096.
  42. Ed. Petit R., Electromagnetic theory of gratings // Springer-Verlag., 1980.
  43. С.Ю., Рассеяние света в полупроводниковых гетероструктурах, содкржащих оптические неоднородности // Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. (Ленинград, 1982)
  44. С.Ю., Рассеяние ТЕ-поляризованного света глубокими диэлектрическими решетками//Радиотехника и электроника, 1984 — Том. 29.- № 9. стр. 1684−1690.
  45. С.Ю., Рассеяние ТМ-поляризованного света глубокими диэлектрическими решетками // Радиотехника и электроника, 1985 -Том. 30. — № 2. — стр. 239−246.
  46. Lalanney P., Morrisz G.M., Antireflection behavior of silicon subwavelength periodic structures for visible light // Nanotechnology, 1997. — № 8. -P. 53−56.
  47. Ohira Т., Segawa Т., Nagai K., Utaka K., Nakao M., Large Area InP Submicron Two-Dimensional (2D) Periodic Structures Fabricated by Two-Time Laser Holography // Jpn. J. Appl. Phys., 2002. — V. 41. — № 2B.- P. 1085−1089.
  48. Kanamori Y., Kikuta H., Hane K., Broadband antireflection gratings for glass substrates fabricated by fast atom beam etching // Jpn. J. Appl. Phys., 2000. — V. 39. — № 7B. — P. L735-L737.
  49. Ishimori M., Kanamori Y., Sasaki M., Hane K. Subwavelength Antireflection Gratings for Light Emitting Diodes and Photodiodes Fabricated by Fast Atom Beam Etching // Jpn. J. Appl. Phys., 2002.- V. 41. № 6B — P. 4346−4349.
  50. Heine С., Morf R.H., Submicrometer gratings for solar energy applications//Appl. Opt., 1995. — V. 34. — № 14. — P. 2476−2482.
  51. Brundrett D.L., Glytsis E.N. and Gaylord Т.К. Homogeneous layer models for high-spatial frequency dielectric surface-relief gratings: conical diffraction and AR designs // Appl. Opt., 1994. — V. 33. — P. 2695−2706.
  52. Grann E.B., Moharam M.G. and Pommet D.A., Optimal design for antireflective tapered two-dimensional subwavelength grating structures//J. Opt. Soc. Am. A, 1995. — V.12. — № 2. — P. 515−519.
  53. Minot M.J. Single-layer, gradient refractive index AR films effective from 0.35 to 2.5 mm//J. Opt. Soc. Am., 1976. — V. 66 — № 6, — P. 333−339.
  54. Cathro K.J., Constable D.C. and Solaga Т., Silica low-reflection coatings for collector covers, by a dip-coating process // Solar Energy, 1984. — V. 32. — № 5. — P. 573−579.
  55. Gombert A., Glaubitt W., Rose K., Dreibholz J., SI B.B., Heinzel A., Sporn D., Wittwer V., Antireflective transparent covers for solar devices // Solar Energy 2000. — V. 68. — Ж 4. — P. 357−360.
  56. Hershey R., Imprinting technique offers low-cost photonic crystal LEDs // Compound Semiconductor.net, October 2006.
  57. Д.В., Грикуров В. Э., Нестеров С. И., Портной E.JL, Два механизма взаимодействия света с фазовой дифракционной решеткой // ПЖТФ, 2006 — Вып. 32. — № 24. — стр. 62−67.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!