ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, < 9, с. 70-88
УДК 535.4, 539.1.04
ДВУМЕРНЫЕ ПЕРИОДИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ ЭЛЕКТРОН-ФОТОННЫХ ИНТЕГРИРОВАННЫХ СИСТЕМ: ИОННО-ЛУЧЕВОЙ МЕТОД ФОРМИРОВАНИЯ, ФИЗИКА И ИНЖЕНЕРИЯ ФОТОННОЙ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ
© 2007 г. М. Ю. Барабаненков, А. Ф. Вяткин
Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН, Черноголовка,
Московская область, Россия Поступила в редакцию 25.12.2006 г.
В работе рассмотрен ряд вопросов, составляющих основу двух направлений микрофотоники: оптические свойства фотонных структур и ионно-лучевой синтез планарных двумерных фотонных структур на основе кремниевых многослойных систем. Двумерные фотонные структуры рассмотрены как стопки одномерных дифракционных решеток. На основе метода уравнения Риккати исследованы резонансные свойства решеток и формирование спектров прозрачности фотонных структур, начиная с одной решетки. Показана устойчивость спектров к технологическим погрешностям, возможным при изготовлении фотонных структур. Изучен ряд вопросов, возникающих при ионно-лучевом структурировании волноводных слоев многослойных кремниевых планарных систем.
ВВЕДЕНИЕ
Прогресс микроэлектроники в последние годы обеспечивается повышением быстродействия элементной базы за счет уменьшения размеров активных областей и уплотнения компонентов интегральных схем (ИС) при одновременном увеличении размеров и утонении самих ИС [1]. Повышение степени интеграции и увеличение размеров ИС привело к колоссальному удлинению и многоярусной архитектуре металлических межсоединений. К примеру, современные процессоры содержат 5 км/см2 металлических полозковых линий с ожидаемым четырехкратным увеличением в ближайшие годы [2]. В результате быстродействие процессоров ограничивается длительностью распространения электрического сигнала по "проводам" и задержкой, обусловленной емкостным ^С) и индуктивным (RL) эффектами. Известны попытки [3] уменьшения межслоевой RC-задержки посредством так называемых "к^-к материалов" [4], т.е. межслоевых изолирующих пленок с малой величиной (<2.2) диэлектрической проницаемости [5] (например, пленок нано-пористого SiO2 [3]). Однако при дальнейшем уплотнении и усложнении архитектуры межсоединений указанный путь повышения быстродействия ИС будет, по-видимому, исчерпан. Выходом из положения представляется замена металлических соединений на оптические связи [2].
В конце 1980-х годов существовало представление о том, что микро- и оптоэлектроника выполнят наиболее эффективно свое функциональ-
ное предназначение (аккумуляция, обработка, визуализация, хранение и передача информации) в случае оптики, управляемой электроникой [6, 7]. Материальную базу такого подхода составляли устройства, в которых электроника выполняла только вспомогательные функции, состоящие в управлении оптическими свойствами материалов (оптопары, оптические переключатели, управляемые транспаранты, т.е. пространственно-временные модуляторы света, бистабильные оптические элементы, фиксирующие поле излучения, запоминающие среды и т.д.). Однако вскоре в результате разработки архитектуры суперЭВМ было достигнуто другое понимание проблемы разграничения областей применения электронных и оптических технологий [8]. Логическая обработка информации должна осуществляться электронными методами и средствами, а передача - с применением оптических связей и элементной базы квантовой электроники. Такого рода электрон-оптическая концепция оказалась эффективной и при построении глобальной информационной системы, современного интернета. Действительно, электронные носители, связанные мировой "паутиной", обмениваются информацией посредством преимущественно оптических сигналов, распространяющихся по оптоволоконным линиям связи, проходящим через ряд промежуточных узлов. В узлах происходит электронная обработка информации оптического сигнала, например, для определения его дальнейшего пути.
Основным элементом существующих к настоящему времени электрон-оптических систем яв-
ляются оптоэлектронные ИС, представляющие собой полупроводниковые структуры, в которых электронные устройства, выполняющие логическую обработку информации, имеют, наряду с электрическими выводами, оптические входы/выходы [8]. Применение оптических световодов вместо полосковых электрических линий позволило не только повысить быстродействие вычислительных машин, но и разработать компактные оптоэлектронные устройства с трехмерными связями.
Трехмерная оптоэлектронная архитектура возможна только при условии взаимной адаптации уровней минитюаризации микроэлектронных и оптических компонент. Возможность изготовления планарного оптического яруса, соразмерного электронным схемам трехмерных оптоэлектрон-ных систем появилась в результате обнаружения механизма управления электромагнитным (ЭМ) излучением, принципиально отличного от механизма полного внутреннего отражения и основанного на явлении фотонной запрещенной зоны (ФЗЗ) [9, 10] - оптического аналога запрещенной зоны электронных состояний в полупроводниках. Исследование ФЗЗ и фотонных структур (ФС), в которых и наблюдается это явление, наряду с технологическими вопросами практического изготовления двумерных (2D) ФС, составляет основную часть кремниевой микрофотоники [11] - направления в физике и технологии, объединившего фотонику и микроэлектронику.
В данной работе проводится анализ двух основных направлений микрофотоники: физики фотонных структур и ионно-лучевого метода формирования двумерных фотонных структур. Дана характеристика фотонных структур, описано явление фотонной запрещенной зоны или, иначе, зоны блеска, и показана технологическая целесообразность применения двумерных фотонных структур. Двумерные фотонные структуры как стопка дифракционных решеток; рассчитаны спектры отражения нескольких видов решеток; показана трансформация спектров по мере перехода от решетки к фотонной структуре; исследована устойчивость и возможность частотной подстройки зоны блеска. Изучались проблемы формирования двумерных кремниевых фотонных систем посредством структурирования волновод-ных слоев многослойных планарных структур методом ионной имплантации.
ФОТОННЫЕ СТРУКТУРЫ
Обнаружение удивительных оптических свойств ФС и появление самого этого термина связано с работами Яблоновича [9] и Джона [10], завершившими некоторый этап в развитии двух фундаментальных физических проблем. Это классическая в квантовой электродинамике задача спонтанного
излучения и проблема локализации андерсонов-ского типа классических волновых полей.
В 1946 году Парселл [12] высказал соображение о том, что люминесценция атомов не является абсолютно неуправляемым внутренним свойством связи материи и окружающего пространства. В частности, Парселл показал увеличение скорости распада возбужденного состояния двухуровневой системы, находящейся в резонаторе, настроенном на частоту ее перехода. В общем случае эффективность люминесценции может быть значительно изменена посредством модификации плотности ЭМ-состояний пространства в спектральном диапазоне, содержащем частоту испускаемых фотонов [13]. В последующие годы было теоретически предсказано и экспериментально наблюдено и увеличение вероятности, и ингибирование люминесценции в резонаторах различной конструкции [14].
В работе [9] предложен способ формирования искусственного материала, способного воздействовать на ЭМ-поле, т.е. на фотоны, тем же образом, каким кристаллическое поле воздействует на электроны. Периодичность диэлектрического контраста в таком материале приводит к нарушению полной трансляционной симметрии свободного пространства и ЭМ-поле приобретает структуру мод. Дисперсионное соотношение для фотонов становится нелинейным, ют Ф с|к|. Каждая (т-ая) дисперсионная ветвь является непрерывной функцией блоховского вектора к в зоне Бриллю-эна. В зонной структуре возможно появление запрещенной зоны (зон), среди которых различают полную, прямую и стоп-зону [15, 16]. Тип зоны определяют соотношением ют + х(к) > ют(к'). Если, независимо от поляризации ЭМ волны, это неравенство выполняется для любых к, к', то говорят о полной зоне; случай к = к' соответствует прямой зоне; если же указанное неравенство справедливо только для некоторого значения к = к', то реализуется так называемая "стоп-зона" по направлению, задаваемому волновым вектором к. Пересечение ФЗЗ с электронной запрещенной зоной позволит подавить рекомбинационную люминесценцию в полупроводниках, увеличив тем самым эффективность, например, полупроводниковых лазеров или биполярных транзисторов на гетеропереходах [9].
Структура, предложенная в [9], является трехмерным аналогом одномерных периодических диэлектрических зеркал и представляет собой гранецентрированный кубический (ГЦК) кристалл с "атомами" кубической формы и полуволновым, Х/2(п + п2), ребром. Здесь, X - длина волны падающего извне излучения, п1 2 - коэффициент преломления на длине волны X. Каждый кубик состоит из двух 2 четвертьволновых пластинок. Оценки срединных частот щелей в плот-
ности состояний, соответствующих точкам X и Ь зоны Бриллюэна ГЦК-кристалла, наряду с условием совпадения щелей, позволили предсказать минимальный диэлектрический контраст, (п2 - п1)/п1 = = 0.21, при котором открывается ФЗЗ (например, п1 = 1, п2 = 1.21).
Месяцем позже публикации [9] Джон [10] рассмотрел трехмерные периодические дискретные диэлектрические структуры с малым структурным разупорядочением как среды, наиболее благоприятные для реализации и систематического наблюдения явления пространственной локализации фотонов. Поводом для развития такого подхода явились результаты большой серии теоретических и экспериментальных исследований рассеяния ЭМ-излучения в случайных дискретных диэлектрических средах (как правило, это суспензии монодисперсных сферических частиц) [17]. В частности [18], при прохождении излучения с X = 0.5896 мкм (лазер на красителе, накачиваемый Лг-лазером) через суспензию частиц рутила ТЮ2 (п2 = 2.3) диаметром 0.6 мм при факторе заполнения / = 0.5-0.7 длина свободного пробега фотонов I ~ 0.35 мкм оказалась меньше соответствующей
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.