CC BY
50
ФИЗИКА ТВЁРДОГО ТЕЛА
УДК 539.216.2 + 539.23 + 535.37
ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ МИКРОРЕЗОНАТОРА ФАБРИ-ПЕРО С АКТИВНЫМ СЛОЕМ SiO2, СОДЕРЖАЩИМ НАНОКРИСТАЛЛЫ КРЕМНИЯ
© 2014 г.
А.В. Ершов, Д.А. Грачев, И.А. Карабанова Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского
ershov@phys .unn.ru
Поступила в редакцию 29.11.2013
Представлены результаты по модификации спектра фотолюминесценции массивов нанокристаллов кремния диаметром ~ 3 нм в слое диоксида кремния путем применения его в качестве активной среды плоского резонатора Фабри-Перо с многослойными интерференционными брэгговскими отражателями. Массивы нанокристаллов были сформированы путем высокотемпературного отжига многослойных нанопериодических структур SЮ;c/SЮ2, полученных вакуумным испарением из раздельных источников. Продемонстрированы эффекты сужения спектра излучения до 25 нм и многократное увеличение интенсивности излучения вдоль оси резонатора.
Ключевые слова: микрорезонатор, нанокристаллы кремния, многослойные нанопериодические структуры, брэгговский отражатель, многослойные интерференционные зеркала.
Введение
Современное состояние кремниевой микроэлектроники таково, что для дальнейшего ее развития необходим качественный переход к интегральной оптоэлектронике. Реализация внутри одного чипа электронных и оптикоэлектронных элементов в едином планарном техпроцессе позволит решить проблему локального роста температуры, приведет к увеличению степени интеграции и снижению стоимости конечного устройства.
Возможным решением проблемы повышения излучательной эффективности непрямозонного кремния считается [1] переход к нульмерной его геометрии, т.е. переход от «объемного» кремния к нанокристаллическому. Последний проявляет интенсивную люминесценцию при комнатной температуре в диапазоне длин волн 650-850 нм [1]. Столь широкий (~ 200 нм) диапазон люминесценции нанокристаллов кремния (НК Si), вызванный дисперсией их размеров в ансамбле, затрудняет прикладное использование наносистемы в качестве активной среды светодиодов. Сужение полосы люминесценции, как известно (см., например, [2]), возможно с помощью резонаторных структур, простейшей из которых можно считать плоский микрорезонатор Фабри-Перо. Попытки формирования таких резонаторных структур с активной средой
из НК Si в SiO2 уже предпринимались, в частности с нанопористым кремнием [3], с многослойными наносистемами SiOx/SiO2, полученными магнетронным распылением [4, 5] или методом химического осаждения из газовой фазы [6].
В работе [7] мы показали возможность получения наносистем НК Si в SiO2 несколько другим способом. Было проведено формирование вертикально упорядоченных массивов НК Si в матрице стехиометрического диоксида кремния путем высокотемпературного (1100°С) отжига многослойных (до 60 слоев) нанопериодических (период до 10 нм) структур а^Юх^Ю2, полученных испарением из раздельных источников. Было найдено, что формируемые НК Si круглой формы расположены упорядоченно в направлении роста многослойных нанопериодических структур (МНС) после отжига, их средний диаметр может задаваться толщиной исходных слоев SiOx, а их поверхностная плотность значительна (~ 1012 см-2). Структуры обладали интенсивной фотолюминесценцией при комнатной температуре в области 650-850 нм в зависимости от среднего размера нанокристаллов, а характерная полуширина световой эмиссии была около 200 нм.
В данной работе мы сообщаем об экспериментальной попытке модификации спектров фотолюминесценции (ФЛ) массивов нанокри-
••••••••••
УШШШШ
>4
а 6
Рис. 1. Схема исследуемых структур: а - отдельный слой SiO2 с массивами НК Si, б - микрорезонатор; 1 - подложка, 2 - активный слой, 3 - внутренний РБО Si/SiO2, 4 - внешний РБО 2г02/8Ю2
сталлов кремния в матрице 8102 путем применения его в качестве активной среды плоского резонатора Фабри-Перо с многослойными интерференционными распределенными брэгговскими отражателями (РБО).
Методика эксперимента
Для проведения исследований экспериментально были приготовлены два типа люминесцентных структур с активным слоем 8102, содержащим вертикально упорядоченные массивы НК 81, схематическое изображение которых представлено на рисунке 1. Первый тип представляют образцы активного слоя НК 81 в 8102, сформированные на отдельных подложках кремния КДБ-12 (100). Второй тип - тот же самый активный слой НК 81 в 8102, помещенный в микрорезонатор - между двумя многослойными интерференционными зеркалами. Активный слой формировался путем нанесения многослойных нанопериодических структур а-810^/8102 методом испарения в вакууме из раздельных источников при условиях, детально описанных в [7]. Оба типа структур были получены в едином цикле на подложке из кремния (рисунок 1а) и на кремниевой подложке с интерференционным («внутренним») зеркалом (рисунок 1б). Затем все образцы отжигались в атмосфере азота при 1100оС в течение двух часов для формирования вертикально упорядоченных массивов нанокристаллов кремния, как это было показано в [7]. Завершающим этапом создания микрорезонаторной структуры было напыление на поверхности отожженной МНС «наружного» (или «внешнего») интерференционного зеркала (рисунок 1б). Таким образом, внутреннее и наружное интерференционные зеркала играли роль распределенных брэгговских отражателей микрорезонатора Фабри-Перо.
Исходная МНС а-810х/8102 представляла собой структуру из 56 чередующихся слоев со
средней толщиной а-810х ~ 4.4 нм, а слоев 8102 ~ 4.0 нм. Согласно экспериментальным данным по высокоразрешающей электронной микроскопии, приведенным в [7], МНС с такой толщиной 810х после отжига при 11000С дают массивы НК 81 со средним диаметром 3.0 ± 1.0 нм. Структуры обладали характерной световой эмиссией при 750-800 нм, в связи с чем оптическая толщина активного слоя в обоих типах структур была одинаковой и составила ~ 400 нм, что было не меньше полуволновой длины для резонатора.
Внутреннее интерференционное зеркало представляло собой девятислойную чередующуюся комбинацию из слоев с высоким и низким показателями преломления: а-81 (п = 3.5) и 8102 (п = 1.46) четвертьволновой оптической толщины (~ 200 нм) с расчетным коэффициентом отражения К > 0.97 на длине волны 800 нм (см., например, [8] и ссылки в ней). Внешнее зеркало РБО было выполнено также из 9 четвертьволновых слоев, но другой комбинации -диоксидов Ъх02 (п = 1.98) и 8102 (п = 1.45), с расчетным коэффициентом отражения К > 0.55. Последняя комбинация использовалась из соображений обеспечения эффективной накачки микрорезонаторов через область длин волн короче коротковолновой границы области высокого отражения внешнего РБО [8]. Для контроля спектров отражения интерференционные зеркала формировались в едином цикле на отдельных кварцевых подложках-спутниках. Измерения спектров отражения зеркал и микрорезонаторов в целом проводили с помощью спектрофотометра Уаг1ап 5000 в диапазоне длин волн 400-1000 нм, используя штатную приставку отражения с углом падения 12.5о и свежетравленый монокристаллический германий в качестве эталона.
Спектры ФЛ обоих типов структур измерялись в диапазоне длин волн 650-900 нм при возбуждении импульсным (с частотой 23 Гц и
Длина волны, нм
Рис. 2. Спектры отражения: 1 - внутреннего РБО я^^Ю2, 2 - внешнего РБО 2г02^Ю2, 3 - структуры микрорезонатора в целом со стороны внешнего отражателя
длительностью 10 нс) Nd^AG-лазером с рабочей длиной волны излучения 532 нм, угол накачки был около 45°. Микрорезонаторные структуры накачивались через внешний РБО. Сигнал ФЛ детектировался фотоумножителем ФЭУ-62 при использовании решеточного монохроматора SP-150 (Stanford Research Systems).
Определение диаграммы направленности люминесцентного излучения проводилось путем измерения спектра ФЛ в разных апертурных углах. Вариация апертурного угла в пределах ~ 15° проводилась путем ступенчатого изменения окна ирисовой диафрагмы, расположенной между образцом и щелью монохроматора.
Результаты и их обсуждение
На рисунке 2 представлены спектры коэффициента отражения интерференционных многослойных зеркал в отдельности и структуры микрорезонатора в целом. Видим, что внутреннее зеркало a-Si/SiO2 имеет довольно широкую область высокого отражения от 500 до 850 нм. Это является характерным для такого типа оптических покрытий [8] при применении столь сильно отличающихся по величине показателя преломления материалов. В области длин волн 750-800 нм - ожидаемого максимума интенсивности ФЛ от нанокристаллов Si в матрице SiO2 - внутреннее зеркало имеет величину R > >95%, что позволяет считать его «глухим» для данных длин волн. Спектры отражения наружного РБО (кривая 2 рис. 2) свидетельствуют о том, что на длине волны 750-800 нм он полупрозрачен и R « 60%. Отметим, что в области накачки лазером на алюмоиттриевом гранате с неодимом (532 нм) коэффициент отражения внешнего зеркала менее 10%, что должно обес-
печить эффективную накачку фотолюминесценции микрорезонатора.
Пассивные оптические свойства микрорезонатора в целом представлены на рисунке 2 линией 3. Видим, что в области высокого отражения внутреннего зеркала (кривая 1) максимальные уровни коэффициента отражения микрорезонатора (кривая 3) ниже (~ 90%). Это свидетельствует о некоторой неоптимальности выбора конструкции обоих РБО, поскольку, согласно [4, 5], для высокой добротности резонатора необходимо, чтобы отражение системы было максимально близким к единице. Спектр отражения имеет несколько минимумов: основной - при 810 нм - и более слабые - при 650, 560 и 500 нм, указывая на «многомодовость» созданного резонатора [2].
Для объяснения столь сложного вида спектра отражения резонатора допустим ряд упрощений: не будем учитывать эффекты поглощения во всей системе, а протяженный РБО заменим бесконечно тонким зеркалом с нулевым поглощением. Тогда связь коэффициентов отражения отдельных (внутреннего (Rm) и внешнего (Rex)) зеркал с коэффициентом отражения микрорезонатора (R) можно записать следующим выражением:
R=
ЛГ-
(1 - Rex )4R
1 -VRexRin eXPV'l 2 у nd
2n
где X - длина волны излучения, nd - оптическая толщина резонатора [9].
В рамках такой модели можно оценить эффективную оптическую толщину (длину) резонатора (М), исходя из периода функции отра-
Таблица
Характеристики спектра люминесценции_________________
Положение пика, нм Полная ширина на полувысоте, нм Добротность Усиление в пике
Пленка МНС
760 ± 3 129 ± 3 - -
Микрорезонатор
660 ± 3 22 ± 3 31 ± 4 3.8 ± 0.1
816 ± 3 25 ± 3 33 ± 4 3.8 ± 0.1
жения (линия 3 рисунка 2). Величина ^пds| жет быть выражена в виде:
И) = 2
V Хт+1 ~ Хт у
мо-
(1)
ном направлении (№/гее) называется коэффициентом Парселла ЕР. На резонансной длине волны он задается следующим выражением:
^ _ 3Q (X/П)
FD
4%2У
где Хт - положение т-го максимума, т = 1, 2.... Для рассматриваемого микрорезонатора параметр (п^ составил величину 2.3 ± 0.3 мкм, что
значительно больше оптической исходной толщины активного слоя резонатора (~ 0.4 мкм). Столь большая длина модельного резонатора может быть понята, если принять во внимание тот факт, что величина отражения от одной границы используемых материалов в РБО с разными показателями преломления невелика (~ 17% для Si/SiO2 и ~ 2% для ZrO2/SiO2, см. [8] и ссылки в ней), в результате свет проникает в глубь отражателя. Однако за счет эффектов интерференции от серии границ достигается коэффициент отражения РБО, близкий к 99.9%. Таким образом, определенная по (1) из линии 3 рисунка 2 оптическая длина резонатора включает область РБО, чем мы и объясняем много-модовость МР-структуры.
Спектры фотолюминесценции отдельного слоя активной среды и микрорезонаторной структуры представлены линиями 1 и 2 на рисунке 3, соответственно. Спектр ФЛ массивов НК Si представляет собой широкий пик с максимумом на длине волны 760 нм. Для резонатора, напротив, наблюдаются два узких и интенсивных пика при 660 и 810 нм. Видно, что спектр МР-структуры является результатом произведения спектров ФЛ НК Si и спектра пропускания системы.
Следует отметить возрастание интенсивности излучения в несколько раз на резонансных частотах по сравнению со структурой без зеркал (см. табл.). Наблюдаемые эффекты усиления световой эмиссии можно интерпретировать в рамках модели эффекта Парселла [10]. Предполагается, что наличие стоячих электромагнитных волн между зеркалами резонатора приводит к росту вероятности спонтанного излучения (№сау) вдоль его оси. Отношение этой вероятности к вероятности излучения в произволь-
где Q - добротность резонатора, V - объем резонатора. Из анализа данного параметра видно, что для повышения вероятности излучения необходимо увеличивать его добротность. Увеличение же диаметра пятна лазерной накачки приводит к росту объема резонатора, что, наоборот, снижает величину множителя Парселла [10].
Перераспределение вероятностей излучения в пространстве приводит к тому, что в одну и ту же единицу времени число актов излучения вдоль оси резонатора больше (наблюдается эффект усиления световой эмиссии), чем в произвольном направлении. Однако для проверки данной гипотезы необходимо дополнительно проводить измерения времени спада ФЛ. Подтверждением будет являться уменьшение характерного времени излучения.
Возвращаясь к характеристикам резонансных пиков, стоит акцентировать внимание на их полной ширине на полувысоте пиков. Величина ~ 25 нм (см. табл.) является приемлемой для прикладного применения исследуемых активных сред в оптоэлектронных приборах.
Диаграмма направленности излучения приведена на рисунке 4. Распределение потока интенсивности в микрорезонаторе по сравнению со структурой без зеркал имеет четко выделенное направление: свет распространяется преимущественно вдоль оси резонатора. В данном направлении (главный лепесток) наблюдается рост потока мощности более чем в 2 раза. Дополнительные всплески интенсивности интерпретируются как результат внутренней интерференции возбужденного излучения.
Заключение
В данной работе показана практическая возможность модификации спектра фотолюминесценции излучения структур с массивами нанокристаллов кремния в слое БЮ2 при применении его в качестве активной среды плоского
Длина волны, нм
Рис. 3. Спектры фотолюминесценции отдель- Рис. 4. Диаграмма направленности излучения для микроре-
ной пленки активной среды (кривая 1), микро- зонатора (1) и отдельной пленки Si02 с массивом НК Si (2).
резонатора (2). Кривая 3 - спектр отражения Точками продолжена средняя интенсивность от пленки
МР-структуры
резонатора Фабри-Перо с многослойными интерференционными брэгговскими отражателями. В результате наблюдается сужение пика люминесценции более чем в 5 раз (до 25 ± 3 нм), а также усиление плотности интенсивности в пике до 4 раз. Повышение добротности и усиления микрорезонатора возможно с позиции оптимизации толщины активного слоя и повышения отражательной способности всех РБО с одновременным уменьшением их толщины.
Работа выполнена при частичной поддержке Министерства образования и науки РФ (ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России») и гранта РФФИ 14-02-00119-а.
Список литературы
1. Khriachtchev L. Silicon nanophotonics, Basic Principles, Present Status and Perspectives. Singapore: World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 2009. 470 p.
2. Пихтин А.Н. Физические основы квантовой электроники и оптоэлектроники. М.: Высшая шк., 1983. 304 с.
3. Chan S., Fauchet P.M. // Appl. Phys. Lett. 1999. V. 75. P. 274-276.
4. Belarouci A., Gourbilleau F., Rizk R // J. of Luminescence. 2006. V. 121. P. 282-285.
5. Belarouci A., Gourbilleau F. // J. Appl. Phys. 2007. V. 101. P. 073108(1-4).
6. Shi S., Redding B., Creazzo T., et al. // J. of Nanophotonics. 2009. V. 3. P. 033503(1-10).
7. Ершов А.В., Чугров И.А., Тетельбаум Д.И. и др. // ФТП. 2013. Т.47. В.4. С. 460-465.
8. Ершов А.В., Машин А.И. Многослойные опти-
ческие покрытия. Проектирование, материалы, особенности технологии получения методом электронно-лучевого испарения. Учебно-методический материал по программе повышения квалификации «Новые многофункциональные материалы и нанотехнологии» [Электронный ресурс]. Нижний Новгород,
2006, 99 с. URL: http://www.unn.ru/pages/e-library/
aids/2006/20.pdf (дата обращения: 25.11.2013).
9. Пахомов И.И., Рожков О.В., Рождествин В.Н. Оптико-электронные квантовые приборы. М.: Радио и связь, 1982. 456 с.
10. Fox M. Quantum Optics: An Introduction. Oxford: Oxford Univ. Press, 2006. 400 p.
PHOTOLUMINESCENCE OF A FABRY-PEROT MICRORESONATOR WITH SILICON NANOCRYSTALS EMBEDDED IN AN ACTIVE SiO2 LAYER
A. V. Ershov, D.A. Grachev, I.A. Karabanova
The results are presented on photoluminescence spectrum modification of 3 nm Si nanocrystals embedded in a SiO2 layer used as an active medium of a flat Fabry-Perot resonator with multilayer Bragg reflectors. The nanocrystal arrays have been formed by high-temperature annealing of multilayer SiO*/SiO2 nanoperiodic structures obtained by vacuum evaporation from separate sources. The emission spectrum narrowing down to 25 nm and a manifold increase in the radiation intensity along the resonator axis are demonstrated.
Keywords: microresonator, silicon nanocrystals, multilayer nanoperiodic structures, Bragg reflector, multilayer interference mirrors.
References
1. Khriachtchev L. Silicon nanophotonics, Basic Principles, Present Status and Perspectives. Singapore: World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 2009. 470 p.
2. Pihtin A.N. Fizicheskie osnovy kvantovoj jelek-troniki i optojelektroniki. M.: Vysshaja shk., 1983. 304 s.
3. Chan S., Fauchet P.M. // Appl. Phys. Lett. 1999. V. 75. P. 274-276.
4. Belarouci A., Gourbilleau F., Rizk R // J. of Luminescence. 2006. V. 121. P. 282-285.
5. Belarouci A., Gourbilleau F. // J. Appl. Phys.
2007. V. 101. P. 073108(1-4).
6. Shi S., Redding B., Creazzo T., et al. // J. of Nanophotonics. 2009. V. 3. P. 033503(1-10).
7. Ershov A.V., Chugrov I.A., Tetel'baum D.I. i dr. // FTP. 2013. T.47. V.4. S. 460-465.
8. Ershov A.V., Mashin A.I. Mnogoslojnye opti-
cheskie pokrytija. Proektirovanie, materialy, osobennosti tehnologii poluchenija metodom jelektronno-luchevogo isparenija. Uchebno-metodicheskij material po programme povyshenija kvalifikacii «Novye mnogofunk-cional'nye materialy i nanotehnologii» [Jelektronnyj resurs]. Nizhnij Novgorod, 2006, 99 s. URL:
http://shhshhshh.unn.ru/pages/e-library/ aids/2006/20.pdf (data obrashhenija: 25.11.2013).
9. Pahomov I.I., Rozhkov O.V., Rozhdestvin V.N. Optiko-jelektronnye kvantovye pribory. M.: Radio i svjaz', 1982. 456 s.
10. Fox M. Quantum Optics: An Introduction. Oxford: Oxford Univ. Press, 2006. 400 p.
