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技術(shù)文章
TECHNICAL ARTICLESS neox 可提供最多 4 種不同光源(紅光、綠光、藍光和白光),這對本研究中尤其重要
該研究是基于嵌入在光子晶體光腔中、導致發(fā)射增強(賽爾效應)的量子點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)(圖 1a),或者基于嵌入在波導中、用于生產(chǎn)光子多路復用器件的量子點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)(圖 1b)。典型器件是由多層砷化鎵/Al0.7Ga0.3As/砷化鎵外延生長(cháng)的堆棧制造而成的,其中頂層 250 nm 厚的砷化鎵層包含器件的有源部分,1 µm 厚 的 Al0.7Ga0.3As 為犧牲層,最終會(huì )被蝕刻掉,以產(chǎn)生浮膜器件(圖 1c)。
膜在特定位置包含一個(gè)或幾個(gè) 20 nm 的 In0.3Ga0.7As 量子點(diǎn),以及與量子點(diǎn)精確對準的蝕刻光子晶體結構(100 nm 孔的大陣列,特定配置會(huì )缺少幾個(gè)孔)。這些器件在不同處理步驟中要求 1-20 nm 精度,因此它們都涉及高性能電子束蝕刻和等離子 (ICP) 蝕刻。關(guān)鍵的最后一步是膜的釋放,包括對犧牲層的濕蝕刻。由于在此階段無(wú)法查看樣品的橫截面,因此頂視圖光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡 (SEM) 是表征光子晶體結構的**可用工具。
圖 1(a).嵌入了耦合 L3PhC 腔的量子點(diǎn)(暗點(diǎn))網(wǎng)絡(luò )的 SEM 圖像。(b).光子晶體波導的 SEM 圖像,頂部帶有一個(gè)輸出耦合器,并包含六個(gè)量子點(diǎn)(用紅色三角形表示)。(c).懸浮膜期間的 SEM 截面圖
這項研究中使用了 S neox。S neox 可提供最多 4 種不同光源(紅光、綠光、藍光和白光),這對本研究中尤其重要,因為使用 2D 明場(chǎng)高放大倍率成像和紅光光源使我們能夠探查原本不可見(jiàn)的膜下特征。這項研究的目的是對在薄 (250 nm) 懸浮砷化鎵膜上制造的光子晶體器件進(jìn)行高精度(亞微米)無(wú)損表征。
我們通過(guò)明場(chǎng)顯微鏡、使用 150 倍物鏡并運用了顯微鏡的四個(gè) LED 光源來(lái)觀(guān)察浮膜器件。我們總是假設觀(guān)察到的圖像反映了器件的表面特征,并將其作為第一近似值。但是,在某些器件中(例如包含介電層的材料),光可以穿透頂層并提供有關(guān)內部零部件的信息,這非常有用。因此,我們試圖將該技術(shù)應用于我們的浮膜裝置。由于砷化鎵在室溫下的帶隙能量為 1.52 eV (815 nm),因此其在可見(jiàn)光譜范圍內是不透明的。
在所有較短的波長(cháng)下 砷化鎵的吸收系數都很大,并且與波長(cháng)密切相關(guān):<sup>1</sup> 1.- J. O. Akinlami 和 A. O. Ashamu 2013 J. Semicond.34 032002Sensofar 顯微鏡使用的紅光 LED(630 nm 波長(cháng)為 3.9µm-1)和藍光 LED(460 nm 波長(cháng)為 20.4µm-1)之間相差 5 倍。但是,對于我們使用的薄膜(波長(cháng) 250-260 nm),有很大機會(huì )至少能夠在紅光下從器件底部恢復有用信息,因為紅光很少被膜吸收。
圖 2. PhC 腔器件的明場(chǎng)圖像,全部使用 150 倍物鏡拍攝(明場(chǎng),4 倍變焦)。光源是紅光 LED (a)。綠光 LED (b)、藍光 LED (c) 和白光 LED (d) 。在 (e) 和 (f) 中,我們分別看到用紅光和藍光 LED 拍攝的暗場(chǎng)圖像(對應于 a 和 c 中的明場(chǎng)圖像)
圖3. a) 歸一化為相等整體強度的四種顏光 LED 光譜;b) 兩次通過(guò)(來(lái)回穿過(guò))260 nm 厚砷化鎵膜(右軸)的光線(xiàn)的衰減光譜 (T2) ,以及兩次通過(guò)(左軸)后從 (a) 反射的 LED 光強度
在圖 4 中,我們顯示了光子晶體波導器件的藍光 (4a) 和紅光 (4b) 圖像。與 圖 2a 和 圖 c 相似,我們觀(guān)察到藍光圖像具有更高的分辨率,表現在亞微米 (0.4×0.8 µm) 腔中。
除此以外,表面看起來(lái)很平滑(某些孤立缺陷除外)。如果我們查看相同區域的紅光圖像( 圖 4b ),器件再次將整個(gè)陣列視為圖像的最亮部分,并在其周?chē)@示灰色帶。它是膜下蝕刻部分的圖像,僅在紅光下可見(jiàn)。我們還觀(guān)察到了這些“內部"表面的某些粒度(可能位于膜的底部或基材的頂部),同樣僅在此圖像中可見(jiàn)。
<em>圖 4</em>.使用 150 倍物鏡拍攝的光子晶體波導器件的明場(chǎng)圖像。光源是藍光 LED (a) 和紅光 LED (b)
在對薄膜半導體器件進(jìn)行成像時(shí),我們可以使用紅光穿透膜進(jìn)行成像,而藍光僅能顯示器件的表面。使用藍光和紅光進(jìn)行明場(chǎng)成像,我們可以比對光子器件的“頂部"和“內部"圖像。
2D 明場(chǎng)成像模式下的S neox 3D光學(xué)輪廓儀成像迅速且無(wú)損,使我們能夠對原本不可見(jiàn)的器件特征進(jìn)行成像。這對于表征多種類(lèi)型的 MEMS 器件非常有用,因為硅 (Si) 的光吸收顯示了出與砷化鎵相似的趨勢。
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