Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ „ 4
1Л. ФОТОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ 4
1,2,ФОГОІ]ІІОІСРИСТАЛЛИЧЕСКИЕСТРУКТУРЫ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ІІЛ ИХ ОСНОВЕ 7
U. Перестраиваемые фотонные кристаллы П
ГЛАВА Ь РАСЧЕТ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОДНОМЕРНОГО ФОТОННОГО КРИСТАЛЛА „ 19
1Л Метод характеристических матриц 19
1.2. Расчет спектров отражения периодической структуры на осноее щелевого кремния 22
1.2,1. Изменение спектров отралсения в зависимости от числа периодов периодической структуры кремний-воздух 24
и. Карты фотонных запрещенных зон 26
1.4, pal4e1 карт фотонных за] [решенных зон для композитных фотонных кристаллов 30
выводы к главе 1 37
главал.технология получения и конструирование периодических структур па основе кремния 39
2.1. Методы микроструістурировлния кремния 39
2.1. L Методы «сухого» травления 39
2-1.2. Методы жидкофазного травления 41
12. Анизотропное травление кремния 42
2.2.1. Анизотропное травление кремния ориентации (100) 43
2.2.2. Анизотропное травление крслшия ориентации (ПО) - - 46
2.2.3. Маскирующие покрытия при анизотропном травлении в КОН... 49
2.2.4- Выбор исходных материалов и метода микроструктурирсвания 51
2,3 Технология получения одномерного фотонного кристалла на основе кремния (ПО) с помощью анизотропного травления 51
2.3.1.Проектирование фотошаблона для прецизионной ориентации щелей вдоль следа тоскости (111) 54
23.2.Проектирование фотошаблонов для создания композитных периодических структур 57
2,4. Технология получения периодической структуры изолированной от подложки 60
2.4.1. Изоляция обратиа-смещенным р-п-переходом* 61
2.4.3. Изоляция с помощью SOI-структур. 63
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2 65
ГЛАВА 3. КОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ ЩЕЛЕВОГО КРЕМНИЯ И ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА 67
3.1. Свойств а жидах кристаллов 67
3.1.1. Определение параметра упорядоченности по дихроичиому отношению 72
3.1.2. Определение ориентации молекул ЖКс помощью двулучепреломления 73
3.L3. Определение ориентации молекул ЖК с помощью комбинационного рассеяния света 15
3.1.4. Переход Фредериках а нематических жидких кристаллах 76
3.2. Выбор жидкокристаллической смеси для создания композитов на основе кремниевой периодической структуры so
3.3. Поляризационная спектроскопия композитных структур S3
3.3.1.Исследование ориентации молекул ЖК в поляризационном микроскопе 86
3.3.2. Определение ориентации молекул ЖК в кремниевой периодической структуре с помощью ИК спектрометрии 86
3.3.5. Определение ориентации молекул ЖКе кремниевой периодической структуре с помощью КРС 93
3.4. Электрооптический эффект 97
3.4.1.Регистрация электрооптического эффекта в поляризационном микроскопе на образце ср-п- переходом 97
3.4.2.Исследоианш электрооптического эффекта с помощью ИК- спектрометрии и КРС для образцов с р-їь-переходом , 98
3.4.3. Исследование электрооптического эффекта с помощью ИК- спектрометрии и КРС для обризцов па SOI-структурах 102
ВЫВОД К ГЛАВЕ 3 ~ 106
ГЛАВА 4. ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ^ 107
4. «.Методика измерений и обработка результатов 107
4.2. Фотонные запрещенные зоны незаполненное ID ФК 109
4, з. Спектры композитных структур ill
4.4. Термооптический эффект в композитных ФК 114
4.5. электрооптичпский эффект d композитных фк 118
4.6. Оценка быстродействия перестраиваемого фотонного кристалла 128
выводы к главе 4 « 131
заключение ~ ~ 132
список публикаций но теме диссертации « 136
ПРИЛОЖЕНИЕ « ч 140
ПЛ. РЕЖИМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ Ш ФК С ПОМОЩЬЮ АНИЗОТРОПНОГО ТРАВЛЕНИЯ КРЕМНИЯ „ „ 140
СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ: ~ 144
Введение к работе
Прогресс оптических технологий в вычислительной технике и связи невозможен без одновременного развития их элементной базы - средств мультиплексирования, коммуникации, передачи сигналов. Новое слово в этой области - фотонные кристаллы (ФК), способные не только заменить традиционные элементы оптических систем, но и стать основой для фотонных интегральных схем [1].
1 Л, Фотонные кристаллы
Понятие фотонный кристалл появилось 1987 году благодаря работам [2, 3]. Фотонные кристаллы - это новый класс оптических материалов, для которых характерно наличие следующих двух свойств. Первое - это периодическая модуляция (трансляционная симметрия) диэлектрической проницаемости с периодом, сравнимым с длиной волны света. Второе наличие связанной с периодичностью кристалла фотонной запрещенной зоны (ФЗЗ) в спектре собственных электромагнитных состояний кристалла [4]. Как известно из физики твёрдого тела, при наличии периодичности в структуре материальной среды в энергетическом спектре возникают так называемые энергетические зоны. В полупроводниковом кристалле оптические свойства материала тесно связаны с шириной запрещённой зоны, величина которой равна энергетическому расстоянию между потолком валентной зоны и дном зоны проводимости, В кристаллическом твердом теле период решётки ( МО см) сравним с длиной волны де-Бройля для электрона; при этом спектр разрешенных и запрещенных зон обусловлен значениями возможных энергетических состояний электронов и дырок. Наличие периодической структуры в веществе с периодом, близким к длине электромагнитной волны, приводит к формированию соответствующих разрешённых и запрещённых зон для фотонов- Для фотонов такое поле получают периодическим изменением коэффициента преломления среды - в одном, двух или трех измерениях (ID-, 2D-, ЗО-фогонные структуры соответственно).
Для понимания процессов в фотонном кристалле его можно сравнить с кристаллом полупроводника, а распространение фотонов с движением носителей заряда - электронов и дырок. На рис. 1 изображена ФЗЗ для полупроводника с энергетической зоной с прямыми переходоми. Справа схема фотонной дисперсионной зависимости. Слева, схема электронной дисперсионной зависимости: валентной зоны и зоны проводимости.
фотонная зона
Электронная
запрещенная зона
Фотонная дисперсионная зависимость
Электронная дисперсионная зависимость
Рис. L Справа: фотонная дисперсионная зависимость и запрещенная зона. Слева: электронная дисперсионная зависимость типичная для прямых переходов в полупроводниках; точками изображены электроны и дырки [5].
В области перекрытия по энергии электронной и фотонной зон спонтанная излучательная рекомбинация электронов и дырок невозможна [5].
Вследствие наличия запрещенной зоны для фотонов вытекают следующие положения:
1. В области фотонной полной запрещенной зоны невозможно спонтанное излучение, для которого требуется наличие собственных состояний в спектре излучаемых фотонов, В частности электронно-дырочная рекомбинация должна полностью подавляться, если частота оптического перехода попадает в фотонную запрещенную зону образца;
2. Фотоны могут локализоваться на диэлектрических дефектах фотонного кристалла, приводя к образованию необычных фотонных состояний, включая связанные атомно-фотонные состояния.
В 1991 году впервые был изготовлен трехмерный фотонный кристалл путем сверления миллиметровых отверстий в материале с высоким показателем преломления (рис. 2) [6]. В этом искусственном кристалле, названном «яблоновитом», реализовывалась полная фотонная запрещённая зона при частотах 15 ГГц. Технологические достижения в области получения структур с микронными и субмикронными размерами в последние десятилетие сделали возможным изготавливать ФК с запрещенными зонами в области оптических частот. Эти методы можно условно разделить на самоорганизующиеся системы (например, искусственные опалы) и структуры с заданной решеткой, получаемой, как правило, методами литографии. Для света, распространяющегося в определенном направлении в ФК имеются определенные области частот, так называемые стоп-зоны, для которых коэффициент отражения близок к 100%, т.е. электромагнитная волна не проникает в глубь материала.
