Двовимірний фотонний кристал

Двовимірний фотонний кристал, який включає кремнієву матрицю n-типу провідності із розташованими з періодом а повітряними циліндрами із радіусом R та пасивуючим покриттям на поверхні циліндрів з оксиду кремнію товщиною d, який відрізняється тим, що пасивуюче покриття на поверхні циліндрів виконане із товщиною, вибраною із співвідношення d = 0,40-0,42 (а - 2R). (19) (21) a200610576 (22) 06.10.2006 (46) 10.06.2008, Бюл.№ 11, 2008 р. (72) КАРАЧЕВЦЕВА ЛЮДМИЛА АНАТОЛІЇВНА, UA, ГЛУШКО ОЛЕКСАНДР ЄВГЕНОВИЧ, UA (73) ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ ІМ. В.Є.ЛАШКАРЬОВА НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ, UA (56) RU 2173003, 27.08.2001 RU 2214359, 05.09.2002 WO 03089925, 22.01.2003 US 2004013379, 22.01.2004 CN 1609641, 27.04.2005 3 Найбільш близьким технічним рішенням, прийнятим за прототип, є періодичні структури кремнію з поверхневим шаром оксиду кремнію [3]. Структура була виготовлена методом фотоелектрохімічного травлення, розмір повітряних циліндрів складав від 500нм до 100мкм в залежності від режимів фотоелектрохімічного процесу. На поверхні повітряних циліндрів методом термічного окислення сформований шар оксиду кремнію, який замінює кремній. Захист поверхні оксидом кремнію дозволяє використовувати структури для проведення хімічних реакцій. Таким чином, прототип забезпечує міцність фотонного кристалу. Недоліком прототипу є велика товщина оксиду кремнію, яка дорівнює половині відстані між повітряними циліндрами d = 0,5 (а - 2R), що відповідає ширині фотонної забороненої зони 4%, що значно менше максимальної ширини фотонної забороненої (17%). Задачею запропонованого винаходу є збільшення ширини фотонної забороненої зони при збереженні міцності двовимірного фотонного кристалу. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що двовимірний фотонний кристал включає кремнієву матрицю n-типу провідності, повітряні циліндри з періодом a, радіусом R та пасивуюче покриття на поверхні циліндрів з оксиду кремнію товщиною d; при цьому пасивуюче поверхневе покриття має товщину d = 0,40-0,42 (a - 2R) На Фіг. наведена схема двовимірного фотонного кристалу з гексагональною граткою і пасивуючим поверхневим покриттям: 1 - напівпровідникова матриця з кремнію nтипу провідності; 2 - повітряні циліндри; 3 - пасивуюче покриття з оксиду кремнію на поверхні циліндрів. Фотонний кристал функціонує наступним чином. Падаюча електромагнітна хвиля максимально поглинається кремнієвою структурою 1 з повітряними циліндрами 2 і пасивуючим поверхневим покриттям 3 на довжинах хвиль, які відповідають умові формування максимальної фотонної забороненої зони. Наші дослідження показали, що для двовимірного кремнієвого фотонного кристалу з пасивуючим поверхневим покриттям останнє виконує функції збереження поверхні повітряних циліндрів від старіння та зміцнює двовимірний фотонний кристал при реалізації максимальної ширини фотонної забороненої зони. Так, без поверхневого шару максимальна фотонна заборонена зона на кремнієвій структурі відповідає відстані між повітряними циліндрами а - 2R = 0,02а, що значно менше, ніж період структури і радіус повітряних циліндрів. Це знижує міцність фотонного кристалу при його розмірах, оптимальних для реалізації максимальної фотонної забороненої зони. Відсутність поверхневого шару або його мала товщина d 0,400,42 (a-2R) не дозволяє досягнути максимальної товщини фотонної забороненої зони. Авторами встановлено, що при нанесенні пасивуючого по 83123 4 криття, товщина якого задовольняє умові d = 0,400,42 (a- 2R), відстань між повітряними циліндрами в 20 разів більша, ніж для аналога. Крім того, ширина фотонної забороненої зони двовимірної фотонної структури на основі напівпровідника з паралельно розташованими повітряними циліндрами і з пасивуючим поверхневим покриттям вища, ніж у прототипі, за рахунок співвідношення товщини поверхневого шару і радіуса циліндрів d = 0,400,42 (а - 2R). Позитивний ефект запропонованого винаходу обумовлений тим, що одночасно: - реалізується максимальна фотонна заборонена зона на відміну від прототипу завдяки запропонованому співвідношенню розмірів структури d = 0,40-0,42 (а-2R) - захищається від старіння поверхня завдяки формуванню пасивуючого поверхневого покриття, що не реалізовано в аналогу - двовимірному фотонному кристалі з повітряними циліндрами без поверхневого шару; - підвищується міцність фотонного кристалу у порівнянні з аналогом внаслідок збільшення відстані між циліндрами. Новітність запропонованого рішення обумовлена тим, що нашідослідження фотонних кристалів, до яких відноситься двовимірна кремнієва фотонна структура з пасивуючим поверхневим покриттям, дозволили встановити умови формування максимальної фотонної забороненої зони при забезпеченні стабілізації від старіння поверхні та підвищення міцності фотонних кристалів. Нами доведено, що при наявності поверхневого пасивуючого покриття оксиду кремнію вказаної нами товщини d = 0,40-0,42(a-2R) максимальна ширина фотонної забороненої зони у кремнієвому фотонному кристалі змінюється несуттєво від 14% до 16%, а відстань між повітряними циліндрами збільшується у чотири рази у порівнянні з двовимірним фотонним кристалом без поверхневого покриття; тобто, структура зміцнюється. Приклад Експериментальні оцінки фотонної забороненої зони були проведені для двовимірних фотонних кремнієвих структур з пасивуючим поверхневим покриттям оксиду кремнію для реалізації максимальної ширини фотонної забороненої зони в області оптичних комунікаційних довжин хвиль (1,55мкм). Фотонний кристал на основі кремнію був виготовлений з монокристалічного кремнію з періодичним розташуванням паралельно розташованих повітряних циліндрів. Для виготовлення структури був використаний монокристалічний кремній n-типу провідності з питомим опором 5Ом.см і орієнтацією поверхні . Були виготовлені кремнієві структури з паралельно розташованими повітряними циліндрами з періодом а = 1,5мкм. В результаті термічного окислення двовимірного кремнієвого кристалу було сформовано пасивуюче поверхневе покриття оксиду кремнію товщиною d = 0,42(a-2R) = 74нм. При цьому відстань між циліндрами складає 180нм, а максимальна ширина фотонної забороненої зони дорівнює 15%. Таким чином, пасивуюче поверхневе покриття оксиду кремнію на поверхні повітряних цилінд 5 83123 рів двовимірних кремнієвих кристалів товщиною 74нм стабілізує, зміцнює структуру завдяки збільшенню відстані між циліндрами з 60нм (аналог) до 180нм при виконанні умови максимальної ширини фотонної забороненої зони. Література: 1. Karachevtseva L.A. Two-dimensional photonic crystals as perspective materials of modem nanoelectronics // Semicond. Phys. Quant&Optoelectronics -2005-7(4)-P.430-435. Комп’ютерна верстка В. Клюкін 6 2. Muller F., Birner A., Gosele U., Lemann V., Ottow S. and Foll H. Structuring of Macroporous Silicon for Applications as Photonic Crystals // J. Porous Materials. -2000.-7. -P. 201-204. 3. DEVICE BASED ON PARTIALLY OXIDIZED POROUS SILICON AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF; PCT, WO №03/089925 A2; МПК 7 G01N 33/50; INFINEON TECHNOLOGES AG (DE); Пріоритет 19.04.2002 DE; Заявка №РСТ/ЕР03/03293. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601