Содержание к диссертации
Введение
1 Периодические структуры: методы формирования, интерференцион ные и дифракционные свойства 10
1.1 Формирование периодических структур методом интерференционной фотолитографии 10
1.2 Неорганический фоторезист на основе халькогенидного стекла 16
1.3 Просветляющие покрытия на основе периодических структур 18
1.4 Заключение 33
2 Формирование периодических структур методом интерференционной фотолитографии 36
2.1 Оптическая схема, применяемая для интерференционного экспонирования 37
2.2 Фоторезист 39
2.2.1 Нанесение пленок AS2S3 40
2.2.2 Экспонирование 40
2.2.3 Проявление 42
2.2.4 Исследование зависимости скорости растворения от дозы облучения 43
2.3 Компьютерное моделирование 45
2.3.1 Модель 45
2.4 Результаты моделирования, сравнение с экспериментом . 52
2.4.1 Зависимость формы профиля от параметров экспозиции, эффект стоячей волны 52
2.4.2 Скрещенные решетки 59
2.5 Заключение 61
3 Дифракционные свойства периодических структур, уменьшающих отражение от поверхности 62
3.1 Просветляющие покрытия на основе периодических структур 62
3.1.1 Эффективный показатель преломления 64
3.1.2 Антиотражающий слой 67
3.2 Дифракционные свойства периодических структур, уменьшающих отражение от поверхности 71
3.3 Заключение 78
Заключение 80
Литература
- Неорганический фоторезист на основе халькогенидного стекла
- Нанесение пленок AS2S3
- Компьютерное моделирование
- Дифракционные свойства периодических структур, уменьшающих отражение от поверхности
Введение к работе
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. Та-
кой 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, иозво-
лят 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:
Впервые рассмотрены периодической структуры, совмещающие как свойство уменьшения отражения от поверхности, так и дифракционный ввод света в материал.
Рассмотрена возможность применения теории эффективной среды для расчета профиля периодической структуры, уменьшающей отражение от поверхности и формирующей дифракционные порядки в материале.
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).
S.I. Nesterov, D.V. Myagkov and E.L. Portnoi // Int. J.of Nanoscience, - Vol. 3, - N. 1 к 2 (2004)
Д.В. Мягков, В.Э. Грикуров, СИ. Нестеров, Е.Л. Портной, Два механизма взаимодействия света с фазовой дифракционной решеткой. // Письма в ЖТФ, Том 32, Вып. 24 Стр. 62-67, 2006
D.V. Myagkov, М.О. Nestoklon and E.L. Portnoi, Computer simulation of inorganic photoresist based on chalcogenide glass AS2S3 development I/ Proc. 15th International symposium Nanostructures: Physics and Technology. - P. 86-87, (Novosibirsk, 2007).
D.V. Myagkov, V.E. Grikurov, S.I. Nesterov and E.L. Portnoi, Antireflective gratings with diffraction orders in transmitted light for optoelectronic applications II Proc. 15th International symposium Nanostructures: Physics and Technology. - P. 145-146, (Novosibirsk, 2007).
D.V. Myagkov, V.E. Grikurov, S.I. Nesterov, and E.L. Portnoi, Periodical structures with antireflective and diffraction properties // Proc. SPIE 6732, 673210 (Jun. 28, 2007).
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.
Неорганический фоторезист на основе халькогенидного стекла
Халькогенидными стеклообразными полупроводниками (ХСП) принято называть стекла, в состав которых входят халькогены VI группы периодической системы Менделеева S, Se, Те. Этот класс веществ, представителем которого является и стеклообразный трисульфид мышьяка (As2Sz), объединяет свойства, как полупроводников, так и стекол. Применение ХСП основано на особенностях оптических, электрических, фотоэлектрических и других физических свойств, обусловленных структурой и конкретным видом энергетического спектра.
ХСП являются типичными неупорядоченными твердыми телами, для которых характерно отсутствие дальнего порядка структуры, т.е. отсутствие строгой периодичности в расположении и наличие ближнего порядка. Под ближним порядком обычно понимают координационное число, тип атомов, окружающих данный атом, длины связей (межатомные расстояния) и валентные углы. Ближний порядок в большинстве ХСП повторяет с небольшими искажениями длин и углов связей ближний порядок соответствующих кристаллических аналогов. Они определяются силами взаимодействия между соседними атомами, которые имеют в ХСП преимущественно кова-лентный характер с небольшой (до 30%) ионной составляющей в бинарных и многокомпонентных системах. Характер ближнего порядка и его параметры существенно определяют основные физические, в том числе полупроводниковые, свойства ХСП. В тоже время небольшие случайные отклонения этих параметров от значений, свойственных кристаллу, и вытекающее отсюда отсутствие дальнего порядка приводят к значительным отличиям свойств ХСП от свойств соответствующих кристаллов. Трисульфид мышьяка AS2S3 в кристаллическом состоянии имеет моноклинную решетку, в которой атомы располагаются слоями. Слои составлены из атомных цепей, соединенных в двенадцати членные гофрированные кольца [19,20]. Каждый атом мышьяка связан с тремя атомами серы в структуре трехгранной пирамиды, где сера образует основание, а мышьяк вершину. Каждый атом серы является частью основания двух пирамид, что обеспечивает требование ковалентной связи всех атомов серы и мышьяка. Расстояния между ближайшими соседями несколько различаются: 2,15-2,34 А. В стеклообразном состоянии структура ближнего порядка трисульфида мышьяка состоит из тригональных пирамидальных единиц AS2S3 (как у кристалла), но получивших незначительные искажения [20,21]. Вместе с тем, анализ кривых радиального распределения показывает, что в стеклах изменяется способ соединения атомных цепей, что приводит к образованию 8-, 10- и 14-члеииых колец, а не только 12-члеииых, как в кристалле [19,20].
Халькогенидные стеклообразные полупроводники синтезируются из элементарных веществ высокой степени чистоты. Синтез проводится в вакууми-рованных (10 3 —10"4 мм рт. ст.) кварцевых лампах. Режимы синтеза самые разнообразные и зависят от температуры плавления компонентов стекла, упругости паров и т.д. Так стеклообразные сплавы системы мышьяк-селен, мышьяк-сера синтезировались при температуре 700 С, при этой температуре сплавы в печи выдерживались 4-6 часов. Для лучшей гомогенизации расплавов применялось вибрационное перемешивание.
Синтез расплавов, содержащих серу, обычно проводится в две стадии. Первоначально ампулы в печи нагреваются со скоростью 3-7 С в минуту до температуры 450-600 С. Во время предварительного нагрева начинаются процессы плавления серы и взаимодействия ее с мышьяком и образованием AS2S3. При 450-600 С ампулы выдерживаются в печи в течение 4-5 часов. За это время заканчиваются процессы образования и плавления сульфида мышьяка. Таким образом получают слитки стеклообразного трисульфида мышьяка. Для получения светочувствительных слоев AS2S3 требуемую навеску синтезированного материала помещают в танталовую лодочку и термически испаряют в вакууме.
Под воздействием внешних факторов в пленках стеклообразного три сульфида мышьяка наблюдаются структурные изменения. К изменению структуры и свойств исходного стеклообразного материала могут привести такие внешние воздействия, как свет, рентгеновское излучение, поток электронов, тепло, электрическое поле [20]. В зависимости от того, какие внешние факторы используются для того, чтобы вызвать эффекты перестройки структуры стекла, эти эффекты принято называть: фотостимулированные, термости-мулированные, электронно-стимулированные и др. Известны эффекты аку-стоиндуцированных изменений оптических констант.
Значительные изменения оптических констант под действием сильно поглощаемого излучения происходят в стеклообразном сульфиде мышьяка и сплавах на его основе. Наряду с изменением оптических свойств происходят изменения фотоэлектрических и физико-химических свойств, в частности изменяется растворимость облученных участков. Пленки многих ХС, обнаруживающие эффект фотоструктурного превращения, обладают хорошей адгезией к большинству используемых на практике материалов и могут быть легко удалены с подложки путем растворения в щелочных растворах. Фотоструктурные превращения в ХС представляют собой достаточно сложный процесс, поскольку ХС являются неорганическими полимерами, со специфическим разветвленным полимерным каркасом. Как и в органических полимерах, под действием света в ХС могут происходить и полимеризаци-онные, и деструкционные процессы с образованием нового полимерного каркаса либо более, либо менее сшитого, чем каркас исходного ХС. Именно но этой причине в пленках халькогенидного стекла при использовании разных растворителей наблюдается как увеличение, так и уменьшение скорости растворения после экспонирования, что позволяет их использовать в качестве фоторезистов. В качестве проявителя могут быть использованы щелочные растворы едкого натра или калия (негативный тин) или раствор бихромата калия в разбавленной серной кислоте (позитивный тип фоторезиста).
Нанесение пленок AS2S3
В настоящей работе был использован неорганический фоторезист негативного типа на основе халькогенидного стекла (ХС) AS2S3, имеющий высокое разрешение и высокий контраст проявления, что необходимо для получения предельно малых элементов. Фоточувствительные пленки халькогенидного стекла наносятся испарением в вакууме, что обеспечивает высокую однородность пленок малой толщины даже на не планарных подложках. Необходимые для моделирования параметры неорганического резиста, такие как оптическое поглощение, коэффициент преломления и зависимость скорости растворения в проявителе от дозы экспозиции, были определены экспериментально. Особенностью этой зависимости является наличие порога чувствительности, ниже которого скорость растворения слабо зависит от дозы.
Пленки AS2S3 были получены методом термического напыления в вакууме. Использовалась установка ВУП - 4 с диффузионным насосом. Рабочий вакуум 2 — 4 10 5 мм рт. ст. (мТорр) Расстояние от источника до подложки 15 см, температура испарителя 350 С, скорость напыления 200 нм/мин. Начальные фракции при испарении отсекаются механической заслонкой. В процессе напыления осуществлялся непрерывный контроль толщины лазерным интерферометром. В исследовании использовались образцы с толщиной слоя As2Ss 100-200 им. Схема установки, с помощью которой производилось экспонирование, приведена на рис. 2.1 (а).
Пленки AS2S3 выступают в качестве негативного фоторезиста, следовательно, при облучении происходят иолимеризационные процессы с образованием более сшитого каркаса. Поэтому при недостаточной экспозиции оставшийся штрих будет узким, а при избытке экспозиции - широким. При оптимальных условиях экспозиции решетка на пленках As2S2 имеет хорошую однородность по полю пластины, высокое качество края рисунка (рис. 2.2)).
Как уже отмечалось выше, при изменении шага решетки меняется угол падения света на подложку, что требует корректировки времени экспозиции. Поворот столика сопровождается также незначительным изменением контраста интерференции, что также должно быть учтено при выборе экспозиции. Моделирование учитывает оба эти фактора и позволяет определить оптимальные условия для получения маски с минимальной шириной штриха.
Еще одним методом создания интерференционной картины, экспонирующей фоторезист, является экспонирование при помощи фазовой маски.
Фазовая маска - дифракционный оптический элемент, который направляет максимум прошедшего при нормальном падении света в первый порядок дифракции. Интенсивность нулевого порядка дифракции идеальной фазовой маски должна равняться нулю. Если нулевой порядок мал и не требуется непрозрачного экрана для его подавления, то расстояние между фазовой маской и фоторезистом может быть очень малым, что позволяет использовать источники излучения с меньшей длиной когерентности по сравнению со схемами интерференционной фотолитографии, приведенными на рис. 2.1. Сокращение длины когерентности, необходимой для качественного изготовления периодических структур методом интерференционной фотолитографии, позволяет использовать для экспонирования лазерный диод или эксимерный лазер, который дает возможность экспонировать резист короткими длинами волн; 248 нм и ниже. Применение фазовой маски в интерференционной фотолитографии позволяет встроить создание периодических структур на поверхности полупроводниковых приборов в стандартный литографический процесс. Таким образом, применение фазовой маски позволяет создавать с помощью интерференционной литографии периодические структуры с субмикрониыми размерами элементов в промышленных объемах.
Применение фазовой маски позволяет получить периодические структу 3: Схема установки интерференционной фотолитографии с использованием фазовой маски для разделения экспонирующего пучка монохроматического излучения. 1 монохроматическое излучение, 2 - непрозрачный экран, 3 - фазовая маска, 4 - подложка с экспонируемым фоторезистом.
Одна из возможных схем интерференционной фотолитографии приведена на рисунке 2.3. Излучение монохроматического источника света падает на фазовую дифракционную решетку, которая имеет только первый порядок дифракции. Непрозрачный экран предназначен для подавления нулевого порядка, который создает паразитную засветку в области экспонирования фоторезиста.
В качестве проявителя использовался неводный раствор органической щелочи амииного ряда. В водных растворах наблюдался неровный край маски, невысокий химический контраст (отношение растворения облученных и необлученных участков). После проявителя подложки промывались в изо-пропиловом спирте.
Компьютерное моделирование
Формула (2.8) описывает распределение интенсивности в слое фоторезиста для перпендикулярно поляризованной волны с точностью до:
Первые четыре слагаемых пропорциональны интенсивности падающего и отраженного пучка, пятое слагаемое соответствует интерференции между волнами А и В , а также между отраженными лучами, шестой член представляет интерференцию между волной А и отраженным лучом Ат, а также между В и Br , последний соответствует интерференции между В и отраженным лучом Ат вместе с членом, отражающим интерференцию между А и
Br. Формула (2.8) не учитывает поглощение в фоторезисте. Интенсивность с учетом поглощения: I(x,z) ос {А2 + 2)ехр (-а- Л [1 + r2exp f-2a- -W \ cos 9/ \ cos0/ 2АВехр [ -а- г ) [1 + г2ехр (-2а- —\1 cos(2tfxsin0) \ COS0/ V COS0/ + 2(гЛ2 + г В2) ехр ( -а—- ) cos(2Kz cos 0) \ cos0/ + АгАВ ехр ( -а ) cos(2Kz cos 0) + cos(2#a; sin 0) (2.9) \ COS0/ где h - толщина фоторезиста, a = 47r" fc - коэффициент поглощения света в фоторезисте [16].
Моделировалось поперечное сечение маски, для удобства была выбрана плоскость (XZ), в силу однородности картины по оставшейся координате. Моделируемый профиль разбивается на равносторонние малые ячейки; таким образом, профиль представлен в виде прямоугольной сетки из равносторонних ячеек. Считая ячейку достаточно малой, можно считать интенсивность в ее пределах постоянной и равной интенсивности в центре ячейки. Умножив значение интенсивности, рассчитанное по формуле (2.9), на время экспозиции, получим дозу, с помощью экспериментально полученной зависимости скорости растворения от дозы экспозиции (рис. 2.5) определим скорость растворения данной ячейки, и, с учетом состояния соседних ячеек, время растворения.
Проявление начинается с верхней поверхности образца, все граничащие с поверхностью (рис. 2.7) ячейки заносятся в массив проявляемых ячеек. Массив сортируется по возрастанию времени растворения ячейки, в результате чего первый элемент массива содержит информацию о ячейке с минимальным временем растворения. Ячейка, информация о времени растворения которой хранится в первом элементе массива проявляемых ячеек (или несколько первых элементов, если времена растворения отличаются не более чем на величину машинного нуля), на следующем шаге программы считается растворенной, и время ее проявления вычитается из времени растворения остальных элементов массива проявляемых ячеек. Ячейки профиля, граничащие с ней, начинают растворяться и, следовательно, добавляются в массив, при этом время растворения уменьшается вдвое, если ячейка открыта для проявления двумя противоположными сторонами (рис. 2.7).
Профиль визуализируется через равные промежутки времени. Для визуализации используется утилита, представляющая каждый элемент двумерного массива в виде точки на экране, при этом растворенным, растворяемым и не подвергающимся обработке точкам присваиваются различные цвета. Процесс прекращается по достижении заданного времени растворения или необходимого количества итераций. Результатом работы программы является набор профилей проявляемого резиста для ряда последовательных моментов времени.
Программа строит распределение интенсивности (рис. 2.8 (а)), а также скорости травления (рис. 2.8 (Ь)). Профили могут визуализироваться в виде отдельных изображений (рис. 2.8 (с)), на которых представлен профиль в определенный момент времени, набора огибающих профиля на одном изображении (рис 2.8 (d)) для более наглядного представления динамики проявления. Ограничением точности для данной модели является только размер ячейки массива, которым представлен профиль моделируемого резиста. Дискретизации по времени не проводится, так как характерным временем изменения профиля в процессе проявления служит время растворения ячейки. Поэтому можно определить форму профиля резиста в любой момент времени.
Компьютерное моделирование позволило быстрее оценить влияние параметров экспозиции (угла падения, длины волны света, толщины резиста, контраста интерференции) и характеристик фоторезиста (зависимость скорости проявления резита от полученной дозы экспозиции, коэффициент поглощения, показатель преломления) на форму профиля маски, по сравнению с экспериментальными исследованиями. Рассмотрение профилей резиста в последовательные моменты времени позволяет представить динамику процесса проявления и выделить такие события как вскрытие подложки, достижение маской заданной толщины, разрушение маски при перетравливании
Дифракционные свойства периодических структур, уменьшающих отражение от поверхности
Для исследования распределения интенсивности прошедшего в материал прибора света необходим точный метод расчета эффективности дифракции. Большой обзор методов расчета эффективности дифракции дан в обзоре [42]. Большинство интегральных и дифференциальных методов основано как на разложении Рэлея, так и на предположении Рэлея. Предположение Рэлея не было доказано
Поскольку исследуются возможности использования периодических струк тур с высокой пространственной частотой повторения элементов, сформированных методом интерференционной фотолитографии, который не позволяет сформировать штрихи с идеально ровными стенками, метод расчета эффективности дифракции, позволяющий учесть все особенности формы штриха, позволяет не только теоретически исследовать дифракционные эффекты периодических структур с высокой пространственной частотой повторения элементов, но и рассчитать эффективность дифракции образцов таких структур, полученных методом интерференционной фотолитографии.
Периодическая структура, уменьшающая отражение от поверхности и формирующая дифракционный порядок в материале, на поверхность которого она нанесена, возможно, позволит повысить эффективность фотопреобразования. Увеличение фотопреобразования возможно за счет направления максимальной части прошедшего в материал света в первый порядок дифракции. Поскольку свет, прошедший в дифракционный порядок, распространяется иод углом к поверхности прибора, а также активного слоя, поглощающего излучение и преобразующего его в электрический сигнал, то эффективная длина, на которой свет поглощается активным слоем, увеличивается. Поэтому для увеличения эффективности фотопреобразования необходимо направить наибольшее количество прошедшего в прибор излучения в первый (или более высокие) порядок дифракции.
Как уже отмечалось, при выборе длины волны, на которую рассчитан прибор, единственным свободным параметром задачи остается высота штриха дифракционной решетки с прямоугольным профилем. Оптимизация лишь по одному параметру может быть проведена с помощью численного моделирования, тогда как большее количество свободных параметров предпочти
Зависимость дифракционной эффективности Deff различных порядков дифракции от высоты штриха #о дифракционной решетки (длина волны - 1.06//т, коэффициент преломления п = 3.5, поглощение не учитывается, падение нормальное, вектор электрического поля перпендикулярен штрихам решетки, ТЕ поляризация, период - 340 nm, ширина штриха - 75 nm) 1 - отраженный свет, 2 - отраженный порядок в прошедшем свете, 3 -первый порядок в прошедшем свете тельнее исследовать с помощью аналитических моделей [43-45].
Для численного исследования зависимости эффективности дифракции от высоты штриха необходимо выбрать модель прибора и длину волны излучения, на которую он рассчитан. В качестве такого прибора был выбран фотодетектор с усредненными параметрами как наиболее простая для анализа модель. Периодическая структура сформирована на входном окне фотодетектора из материала самого прибора. Профиль зубцов решетки прямоугольный. Длина волны - 1.06/zm, т.к. это стандартная длина волны излучения полупроводниковых лазеров, которая позволяет применять теорию эффективной среды для объяснения уменьшения отражения от поверхности. Коэффициент преломления п = 3.5 был выбран как средний для полупроводниковых материалов. Падение нормальное. Вектор электрического поля перпендикулярен штрихам решетки, поляризация электромагнитной волны поперечная. Период был выбран в соответствии с условием (3.18) и состав ляет 340 nm, ширина штриха определяется условием (3.19) для коэффициента заполнения, отвечающего условию согласования импедансов между воздухом и материалом прибора, позволяющему уменьшить отражение от поверхности. Таким образом, ширина штриха составила 75 nm, поглощение не учитывается. Результат численного расчета зависимости дифракционной эффективности от высоты штриха приведен на рис. 3.6.
Зависимость эффективности дифракции от высоты штриха имеет периодический характер, период и положения максимумов интенсивности отраженного и прошедшего в материал прибора света соответствуют теории эффективной среды. Следовательно, можно говорить о ее применимости для объяснения уменьшения отражения от поверхности, на которую нанесена периодическая структура, не только в случае полного отсутствия дифракционных порядков в материале. При этом основная часть прошедшего в материал света остается в нулевом порядке (рис. 3.6).
Согласно численным расчетам эффективности дифракции только 15 процентов прошедшего в материал прибора света может быть направлено в первый порядок дифракции. Однако отражение от поверхности прибора, на которую нанесена периодическая структура, снизилось до 5% по сравнению с 40% отраженного света от ровной поверхности. Ввод части света под углом к активному слою дополнительно повышает эффективность поглощения света активной областью.
Таким образом, формирование периодической структуры на входном окне фотопреобразующих полупроводниковых приборов позволяет увеличить коэффициент преобразования не только за счет уменьшения отражения от поверхности и улучшения ввода света в прибор, но и за счет увеличения длины взаимодействия части света, направленного в дифракционный порядок, с активной областью прибора.
