Нанофотоника на основе структур фосфида галлия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Большаков Алексей Дмитриевич

• Большаков Алексей Дмитриевич
• доктор наук
• 2024

Оглавление диссертации доктор наук Большаков Алексей Дмитриевич

Введение

Актуальность темы исследования

Степень разработанности темы исследования

Цели и задачи работы

Научная новизна работы

Теоретическая и практическая значимость работы

Методология и методы исследования

Положения, выносимые на защиту

Степень достоверности и апробация результатов

Глава 1. Волноводные свойства нанопроводов фосфида галлия

1.1. Демонстрация волноводного эффекта в нанопроводах ОаР

1.2. Численное моделирование волноводной моды в нанопроводах ОаР

1.3. Спектральные характеристики волноводов ОаР

1.4. ОаР волновод интегрированный с перовскитным источником

1.5. Изогнутые волноводы ОаР и элементы на их основе

Глава 2. Плазмонные эффекты в гибридной наноструктуре нанопровод ОаР - капля Оа

2.1 Эффекты локализации и усиления поля

2.2 Эффекты фотолюминесценции в гетероструктурированных нанопроводах и плазмонно-индуцированное внутреннее отражение

2.3 Наночастица галлия, как оптическая антенна

Глава 3. Генерация второй гармоники в нанопроводах фосфида галлия

3.1 Захват нанопроводов оптическим пинцетом

3.2 Генерация второй гармоники в захваченных нанопроводах

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Нанофотоника на основе структур фосфида галлия»

Актуальность темы исследования

С 1960-х годов полупроводниковые соединения с фосфором, а именно GaP и его твердые растворы, такие как GaP1-xAsx, привлекают внимание в оптоэлектро-нике и фотонике по нескольким причинам. Прежде всего, по сравнению с другими Ш-У полупроводниками, GaP наиболее близок по постоянной решетки (рассогласование 0,37%) с Si и может использоваться в качестве материала буферного слоя для интеграции полярных соединений (например, GaAs и !п?) на платформе Si. Благодаря широкому диапазону прозрачности, от видимого до ИК (0,55-11 мкм) и высокой нелинейной восприимчивости второго порядка, GaP играет важную роль в современной нанофотонике как диэлектрический материал для изготовления наноантенн с микродисковой или столбчатой морфологией для высокоэффективных устройств генерации второй гармоники.

Непрямозонная структура объемного GaP ^ = 2,27 эВ при 300К) является одним из сдерживающих факторов для разработки эффективных светоизлучающих и фотоэлектрических устройств на основе GaP на Si. Переход к прямозонной структуре достигается в тройных сплавах, таких как как GaP1-xAsx с высоким содержанием мышьяка х>56%, что сопровождается уменьшением запрещенной зоны. Варьирование состава позволяет изменять значение ширины запрещенной зоны этого сплава для создания оптоэлектронных приборов, работающих в видимом и ИК-диа-пазонах (630-870 нм, 56<х<100%).

Проблемы синтеза тройных сплавов хорошо известны для соединений с молярным содержанием х, близким к 0,5. Полупроводниковые наноструктуры пониженной размерности, в том числе нитевидные нанокристаллы (иначе ННК, нано-проволоки, нанопровода) и гибридные структуры на их основе, являются объектами интенсивного научного исследования в разрезе обозначенной проблемы. Ограничение латеральных размеров полупроводниковых ННК приводит к проявлению интересных физических свойств, которые не наблюдаются в объемных материалах. В частности, геометрия полупроводниковых нанопроводов позволяет

стабилизировать составы в области несмешиваемости. Помимо этого, бездислокационные ННК могут быть выращены на подложках с большим рассогласованием решето, в частности, для интеграции Ш-У материалов на кремниевую платформу, что является одним из перспективных способов интеграции оптооэлектроники. А такие свойства, как волноводное поведение, эффекты оптического резонатора и другие, могут быть реализованы в ННК благодаря его геометрии, делающей их привлекательными в качестве элементов нанофотоники.

Важнейшим из существующих методов синтеза ННК, являются рост по механизму «пар-жидкость-кристалл» (ПЖК), в частности, самокаталитический рост (рост, стимулированный каплей, состоящей из атомов ростового материала). Из-за большой площади боковых стенок в ННК становятся заметными процессы безыз-лучательной рекомбинации на поверхности, что негативно сказывается на опто-электронных характеристиках устройств на основе ННК. Одним из возможных решений, позволяющих избежать вышеупомянутые проблемы, является использование гетероструктурированных ННК с узкозонными включениями, выступающих в качестве активной области. Из-за малого объема и толщины ННК вероятность образования структурного дефекта мала, в то время как его боковые стенки могут быть пассивированы оболочкой.

Проведенные в рамках диссертационной работы исследования направлены на развитие перспективной отрасли в науке и технологии - фотонные интегральные схемы на основе фосфидных нитевидных нанокристаллов. Актуальность работ обеспечивается потенциалом использования полученных результатов в вычислительных системах нового поколения.

Степень разработанности темы исследования

Квази-одномерные ННК представляют большой интерес для наноэлектроники и нанофотоники из-за их уникальных электронных и оптических свойств. Проявление этих свойств связано, в первую очередь, с ограничением размеров этих наноструктур структур, а также их химическим и фазовым составом. По химическому

составу и электронным свойствам, нанопроволоки можно разделить на металлические, полупроводниковые и диэлектрические. При этом, металлические и диэлектрические нанопроволоки (к последним часто относят ННК непрямозонных и широкозонных полупроводниковых соединений) являются перспективными для приложений наноплазмоники и использования в качестве оптических волноводов, соответственно. В то время как, полупроводниковые ННК являются многообещающими активными элементами для создания излучателей и свето-чувствительных устройств.

На ранних этапах активно исследовались нанопроволоки материалов III - У и II-VI с прямой запрещенной зоной ввиду высокой светоизлучающей эффективности. Также, активно исследовались ННК нитридных соединений с галлием и индием, ширина запрещенной зоны в которых может в зависимости от состава варьироваться от ближнего инфракрасного (нитрид индия) до ультрафиолетового (нитрид галлия) диапазона. Также недавно появились нанопроволоки на основе перов-скитных соединений, которые демонстрируют замечательные структурные и оптические свойства, такие как высокая эффективность излучения и поглощения.

Светоизлучающие устройства на основе ННК были продемонстрированы в ряде работ. При этом стоит отметить, что нанопроволоки с хорошей огранкой (что характерно для эпитаксиальных ННК) демонстрирую эффективную оптическую генерацию, поскольку сами структуры играют роль оптических резонаторов, что способствует генерации стимулированного излучения, в том числе, с электрической накачкой. Так, в 2001 г с использованием ННК 7пО была впервые продемон-трирована лазерная генерация в нанопроводах. Вскоре были также продемонстрированы лазеры на основе ННК следующих материалов: GaN, InGaN, CdS, CdSe, CdSSe, GaAs, InОaAs, AlОaAs, GaSb и МР. Варьирование химического состава является классическим методом изменения ширины запрещенной зоны в полупроводниковых материалах. Первые работы по Ш-У ННК с контролируемой запрещенной зоной на подложке Si были проведены группой Самуэльсона. Перестраи-

ваемая длина волны полупроводниковых нанопроводов, определяемая их химическим составом, обеспечивает широкий спектр излучения для светодиодных применений.

Металлические и диэлектрические нанопроволоки могут использоваться, как оптические волноводы. Волновод, имеющий малое поперечное сечение, является ключевым элементом для создания интегральных фотонных схем для доставки оптических сигналов от передатчика к приемнику. В диэлектрической нанопроволоке локализация излучения происходит за счет эффекта полного внутреннего отражения. Минимальный диаметр диэлектрического оптического волновода связан с дифракционным пределом и ограничивается коэффициентом преломления среды. Примечательно, что использование металлических нанопроволок, позволяет локализовать излучение вблизи поверхности на расстоянии в несколько нанометров. Однако потери при плазмонной передаче на несколько порядков выше, чем в устройствах диэлектрической фотоники. При этом, использование гибридных фо-тонно-плазмонных волноводов позволяет реализовывать оба преимущества благодаря оптической связи между металлической и диэлектрической нанопроволоками.

Оптический волновод является одним из важнейших элементов для маршрутизации сигналов между оптическим передатчиком и приемником в полностью фотонных интегральных схемах. В последние десятилетия активно развивались схемы на основе Si, который использовался для оптического усиления, модуляции, генерации и в нелинейной оптике. Однако, Si демонстрирует высокие потери на поглощение и относительно невысокий показатель преломления в видимом диапазоне, что ограничивает его использования в качестве материала компактных волноводов на чипе. Кроме того, Si - непрямозонный материал, что ограничивает реализацию эффективных излучающих элементов на его основе. Чтобы преодолеть это ограничение использовались ННК Si, которые могут обладать прямознной структурой. Однако большинство таких подходов требуют особых условий синтеза (например, высокое давление).

Диэлектрические нанопроволоки, например, SiO2 ННК обладают низким поглощением, но имеют низкий коэффициент преломления. Для создания волновода

с поперечными субдлинноволновыми размерами возможно использование монокристаллической нанопроволоки с высоким показателем преломления. Так например, нанопроволоки SnO2 (п = 2,1) продемонстрировали низкие оптические потери (1-8 дБ/мм) в видимом диапазоне. Однако дальнейшая миниатюризация все еще ограничена дифракционным пределом.

Примечательно, что наноразмерная геометрия усиливает эффекты анизотропии и позволяет стимулировать нелинейные оптические явления (такие как генерация второй гармоники, ГВГ), которые могут быть использованы в интегральных фотонных схемах. Так КЫЪ03 нанопроволоки демонстрируют большие значения эффективных нелинейных оптических коэффициентов вкупе с относительно высокими показателями преломления (п = 2,1-2,5).

Перспективы создания полностью оптической логики были продемонстрированы с использованием оптически связанных ННК CdS. Продемонстрировано, что на эффективность передачи сигнала через ННК, работающего как волновод, можно эффективно влиять путем его засветки. Такой подход позволил реализовать базовый логический полностью оптический элемент. Также ранее был продемонстрирован эффект осцилляций в распределении энергии между волноводами в виде Si ННК при изменении расстояния между ними.

Эпитаксиальные нанопроволоки Ш-У хорошо известны с точки зрения высокого кристаллического совершенства и механической прочности, большого аспект-ного отношения, возможности выращивания на рассогласованных подложках. Среди соединений Ш-У фосфид галлия обладает широким диапазоном прозрачности и высоким коэффициентом преломления (более 3,2 в видимом диапазоне), что в купе со всеми описанными выше свойствами делает ННК этого материала идеальными кандидатами для реализации волноводов фотонных интегральных схем работающих как в видимом, так и в ИК диапазоне, имеющим важное значение для систем передачи данных. Примечательно, что рост на кремниевых подложках делает производство таких наноструктур относительно дешевым, в то время как, современные ростовые технологии позволяют реализовывать упорядоченные массивы ННК заданного размера, что имеет важное приборное значение.

Несмотря на то, что фосфид галлия - материал непрямозонный, модифицировать его зонную структуру можно за счет применения изовалентных примесей. Так, тройные твердые сплавы InGaP и GaPAs обладают прямозонной структурой. Примечательно, что современные ростовые технологии позволяют варьировать состав таких ННК по длине для создания прямозонных вставок активной среды. Тогда, создаваемая структура представляет из себя слабопоглощающий волновод ^аР) со вставкой - излучателем. Эти свойства делают ОаР пригодным для создания как пассивных, так и активных устройств и компонентов фотонных интегральных схем. Таким образом, исследования, направленные на изучение волноводных свойств ННК ОаР, а также создание и исследование гетероструктур на их основе в перспективе позволят создавать интегральные фотонные схемы для вычислительных систем будущего.

Цели и задачи работы

Основной целью работы является теоретическое и экспериментальное исследование эффектов взаимодействия нанопроводов ОаР и его твердых растворов с излучением видимого и ближнего инфракрасного диапазонов для реализации пассивных и активных элементов фотонных интегральных схем.

Задачами работы являются

• Теоретическое и экспериментальное исследования взаимодействия света со средой при его распространении в волноводах, выполненных из ННК GaP различной геометрии

• Теоретическое и экспериментальное исследования возможности реализации оптической связи между несколькими волноводами в виде ННК GaP

• Теоретическое и экспериментальное исследования эффектов излучения в ННК GaP, декорированных плазмонной наночастицей

• Теоретическое и экспериментальное исследования фотолюминесцеенции в ге-тероструктурированных фосфидных ННК

• Теоретическое и экспериментальноу исследования линейных оптических резонансных свойств ННК фосфидных соединений

• Теоретическое и экспериментальное исследования нелинейных оптических эффектов в ННК GaP

Научная новизна работы

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Впервые продемонстрирована возможность широкополосной передачи оптического излучения видимого диапазона за счет использования эпитаксиальных ННК ОаР диаметром менее 200 нм, планаризованных на кварцевой подложке. Детально теоретически и экспериментально исследован волноводный эффект в таких наноструктурах.

• Впервые определена зависимость предельной длины волны отсечки волно-водного эффекта в эпитаксиальном ННК ОаР, планаризованном на кварцевой подложке, от его диаметра.

• Впервые продемонстрировано, что за счет резонаторной оптической геометрии ННК ОаР могут быть использованы для спектральной модуляции распространяющегося излучения видимого диапазона.

• Впервые теоретически и экспериментально показано, что волноводный эффект сохраняется в изогнутых ННК ОаР, вплоть до предельных деформаций, если диаметр ННК превышает диаметр отсечки волноводного эффекта на несколько десятков нанометров.

• Впервые создан оптический разветвитель на основе эпитаксиальных ННК ОаР и продемонстрирована возможность спектрального разделения оптического сигнала за счет использования такого разветвителя.

• Впервые с привлечением методов численного моделирования исследованы поляризационно-зависимые оптические эффекты локализации электромагнитного

поля в самоорганизованном эпитаксиальном ННК GaP, декорированном Ga плаз-монной наночастицей. Исследованные эффекты продемонстрированы экспериментально.

• Впервые экспериментально продемонстрирована возможность использования плазмонной наночастицы для увеличения эффективности ввода оптического излучения в волновод в виде ННК GaP.

• Впервые продемонстрированы и исследованы пространственные особенности направленного вывода излучения фотолюминесценции в аксиально-гетеро-структурированных ННК GaP со вставками прямозонного тройного твердого раствора GaPAs.

• Впервые исследована эффективность генерации второй гармоники в одиночных ННК GaP в зависимости от их геометрии и продемонстрирована немонотонная зависимость этой эффективности от диаметра и длины ННК.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в следующем:

• Экспериментально продемонстрирован волноводный эффект в ННК GaP для длин волн в диапазоне 532-850 нм

• Теоретически методами численного моделирования построены дисперсии первых шести мод в волноводах в виде наноразмерных ННК GaP, обладающих шестигранным сечением. Определено, что фундаментальной является HE11 мода. Для длин волн 532нм, 633нм и 802нм построены дисперсии эффективной моды в зависимости от сечения волновода.

• Построена теоретическая зависимость минимального значения диаметра ННК, при котором сохраняется волноводный эффект (диаметр отсечки) от длины волны фундаментальной моды. Результаты численного моделирования подкреплены экспериментальными данными и находятся в согласии с ними.

• Численными методами найдены оптические потери на поглощение в ННК ОаР, которые зависят от диаметра ННК и длины волны распространяющейся моды. Показано, что потери увеличиваются при уменьшении диаметра ННК, а также растут с уменьшением длины волны излучения, что связано с ростом потерь на поглощение и составляют 0.37дБ/мкм для фундаментальной моды 532нм при диаметре волновода 110 нм.

• Экспериментально продемнстрировано проявление резонансных мод в спектральной зависимости пропускания волноводов на основе ННК ОаР.

Подытоживая, полученный объем теоретических и экспериментальных данных демонстрирует возможности для использования ННК ОаР в качестве пассивных элементов интегральных фотонных схем, поддерживающих моды в видимом диапазоне длиной волны более 532нм и обладающих минимальным сечением порядка 100 нм. Определенные значения оптических потерь на поглощение позволяют сделать вывод, что обсуждаемые наноструктуры являются перспективными кандидатами для реализации волноводов с наноразмерным сечением и субмиллиметровой длины для применения в передаче оптических данных на чипе. Также,

• Показано, что волноводы в виде ННК могут быть изогнуты с радиусом закругления на уровне 1.5мкм и сохраняют форму.

• Теоретически и экспериментально продемонстрировано, что оптические потери на излучение в таких изогнутых волноводах не растут с уменьшением радиуса изгиба, если диаметр волновода незначительно превышает диаметр отсечки.

• С применением техник наноманипулирования продемонстрирована возможность создания элементов нанофотоники, состоящих из нескольких ННК ОаР заданной формы. Экспериментально продемонстрирована возможность спектрального разделения широкополосного сигнала на входе разветвителя на несколько каналов.

• Результаты численного моделирования распространения оптического сигнала между двумя волноводами, находящимися на близком расстоянии, демонстрируют немонотонную резонансную зависимость эффективности передачи сигнала через два волновода, в зависимости от геометрии системы, что связано с наличием интерференционных эффектов при отражении света от границ раздела. Определены пути оптимизации геометрии оптических элементов на основе нескольких ННК GaP, а также стойкость таких элементов к малым изменениям их геометрии.

Подытоживая, получен существенный теоретический, экспериментальный и технологический задел для создания элементов фотонных интегральных схем на основе ННК GaP заданной геометрии, таких как разветвители, элементы фотонной логики и интерферрометры.

Помимо этого, методами численного моделирования показаны эффекты взаимодействия света с низкоразмерными гибридными самоорганизованными структурами на основе полупроводниковых ННК GaP и плазмонных галлиевых частиц, де-коририующих верхнюю грань ННК, в результате роста по механизму «пар-жтдкость-кристалл». В частности,

• Продемонстрирован эффект усиления поля в ННК на границе с Ga плазмонной наночастицей,

• Показана зависимость этого эффекта от поляризации падающего света,

• Показано, что наночастица усиливает отражение для волноводной моды от грани ННК,

• Показан антенный эффект плазмонной наночастицы, позволяющий повысить эффективность ввода излучения в волновод в виде ННК.

Таким образом, показано, что плазмонная наночастица , декорирующая грань ННК существенно влияет на его оптические свойства. Полученные результаты открывают новые перспективы для создания элементов фотонных схем, среди которых волноводы с оптической наноантенной для ввода излучения, а также излучатели с

оптимизированными резонансными свойствами, высокой локализацией возбуждающего сигнала, поляризационно зависимым откликом, а также анизотропным излучением.

В результате детального исследования эффекта ГВГ в одиночных ННК GaP и их массивах продемонстрирована возможность создания высокоэффективных нелинейных оптических элементов, преобразующих возбуждающий сигнал в широком ИК диапазоне и демонстрирующих отклик во всем видимом диапазоне. Получены важные теоретические и экспериментальные данные, позволяющие повысить эффективность ГВГ за счет оптимизации геометрии ННК GaP.

Методология и методы исследования

Рост исследуемых структур проводился с помощью установки молекулярно-пучковой эпитаксии Veeco GENIII. Для синтеза аксиальных гетероструктур выполнена серия ростовых экспериментов с остановкой и возобновлением роста и варьированием ростовых потоков. Для поглощения Ga капли часть образцов выращивалась с остановкой потока элемента III группы и экспозицией под потоком V группы. Использование метода дифракции быстрых электронов при скользящем падении (ДБЭО) позволило получить первичную информацию о кристаллической структуре синтезируемых ННК и ростовых механизмах непосредственно в процессе эпитаксиального роста наноструктур. После проведения ростовых экспериментов, синтезированные образцы комплексно изучались взаимодополняющими методами оптической, растровой электронной (РЭМ), а также атомно-силовой микроскопии (АСМ).

Гетероструктурированные образцы исследовались методами спектроскопии фотолюминесценции (ФЛ) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Анализ гетерограниц также проводился методом ПЭМ в режиме энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. Данные методы позволяют изучить кристаллическую структуру синтезируемых массивов, обнаружить наличие перебросок фаз, а также исследовать морфологические детали, недоступные для анализа вышеперечисленными методами.

В ходе выполнения работы проведено численное моделирование распространения света в видимой и ближней ИК областях, оптических потерь, а также моделирование взаимодействия излучения с ННК, декорированными наноразмерными каплями галлия и их влияния на распространение и локализацию электромагнитного излучения внутри GaP ННК. Также численно исследована возможность реализации оптической связи между двумя волноводами, выполненными из ННК GaP в различной геометрии их расположения на подложке. Моделирование проводилось с использованием зарекомендовавших себя пакетов прикладных программ -CST Microwave и Ansys Lumerical.

Планаризация синтезированных наноструктур для последующего изучения отдельных ННК методами микроскопии и спектроскопии проводилась методами ультразвукового отделения с дальнейшим переносом в растворе на вспомогательную подложку, а также с помощью прямого механического переноса. В качестве вспомогательных использовались кварцевые подложки с низким значением коэффициента преломления для уменьшения оптических утечек из планаризованных волноводов и излучателей на основе ННК.

Для исследования влияния изгиба на оптические свойства ННК GaP применялись методы наноманипулирования с использованием АСМ. Для обеспечения визуального контроля процесса изгибания использованы зонды типа visual-tip. Этот же метод использован для перемещения ННК при создании элементов из нескольких ННК.

Установка рамановской микро-спектрометрии Horiba LabRam HR800 использовалась для исследования структурных особенностей ННК, эффектов локализации поля, а также волноводных эффектов в ННК GaP. Дополнительное исследование волноводных характеристик путем получения спектров пропускания отдельных ННК было проведено на специально собранной оптической установке на основе широкополосного лазерного источника типа суперконтинуум Fianium White-Lase SC400. Также, волноводные моды были исследованы с помощью рассеиваю-

щей сканирующей ближнепольной оптической микроскопии (s-SNOM, www.nea-spec.com) на основе АСМ в полуконтактном режиме с возбуждением 700 нм лазером Ti: сапфир (www.avesta.ru).

Исследование нелинейных оптических эффектов в ННК проводилось с использованием фемтосекундного импульсного лазерного источника. Захват отдельных ННК для исследования линейного и нелинейнго оптического откликов проводился на специально собранной установке с несколькими лазерными источниками и двумя объективами для засветки и сбора сигнала.

Положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие положения:

1. Эпитаксиальные нанопровода фосфида галлия с шестигранным сечением на поверхности кварцевой подложки, поддерживают волноводный эффект для излучения в видимой и ближней инфракрасной областях. Минимальное поперечное сечение такого волновода составляет менее 110 нм для света с длиной волны 532 нм. Волновод в виде одиночного нанопровода фосфида галлия с высоким качеством фасеток обеспечивает спектральную модуляцию распространяющегося излучения, что проявляется в виде резонансов Фабри-Перо.

2. Изогнутые волноводы в виде нанопроводов фосфида галлия, поперечное сечение которых превышает диаметр отсечки волноводного эффекта на несколько десятков нанометров, обладают низкими потерями на излучение в области изгиба даже при предельных изгибных деформациях и по порядку величины составляют 10 дБ/мм.

3. Наноманипулирование методом атомно-силовой микроскопии позволяет реализовать элементы интегральной фотоники заданной геометрии на основе нано-проводов фосфида галлия, в частности, оптический разветвитель на основе двух изогнутых нанопроводов, позволяющий проводить спектральное разделение оптического сигнала.

4. Самоорганизующаяся гибридная наноструктура на основе нанопровода фосфида галлия с наночастицей галлия проявляет поляризационно-зависимые эффекты локализации поля. Наночастица также играет роль оптической антенны, обеспечивающей эффективный ввод излучения в объем волновода в виде нанопро-вода.

5. Аксиально-гетероструктурированные нанопровода демонстрируют пространственные особенности направленного вывода излучения, а также позволяют получить спектрально модулированный оптический отклик фотолюминесценции.