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无损 膜光子晶体器件的表征



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该研究基于嵌入在 PhC 腔中的 QD s 的光学特性(图 1a),从而导致发射增强(珀塞尔效应)或 WGs(图 1b),从而产生光子复用设备。典型的器件是由多层 GaAs / Al0.7Ga0.3As / GaAs 外延生长的叠层制成的,其中 250 nm 厚的顶层 GaAs 层包含器件的有源部分,而 1μm 的 Al0.7 Ga0.3As 牺牲层最终被蚀刻掉,以产生浮膜器件(图 1c)。该膜在特定位置包含一个或几个 20 nm In0.3Ga0.7As QD,以及经过蚀刻的 PhC 结构(大阵列的 100 nm 孔,在特定配置中缺少几个孔),与 QD 精确对齐。这些器件在几个处理步骤中需要 1-20 nm 的精度,因此它们都涉及高性能电子束光刻和等离子(ICP)蚀刻。关键的最后一步是膜剥离,其中包括牺牲层的湿法蚀刻。由于在此阶段无法查看样品的横截面,因此顶视图光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)是表征PhC结构的唯一可能工具。  


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图1 a)嵌入耦合的 L3PhC腔中的 QD(暗点)网络的 SEM 图像。

 

        1 b)PhC 波导的SEM 图像,顶部带有一个输出耦合器,包含六个 QD(红色三角)。


        1 c)悬浮膜装置的 SEM截面图。 




在这项研究中,使用了 S neox。S neox 最多可提供 4 种不同的光源(红色,绿色,蓝色和白色),这在本研究中尤为重要,因为将 2D 明场高倍率成像与红色光源配合使用可使我们探究光源下的特征。否则看不见的膜这项研究的目的是对在薄(250 nm)悬浮GaAs膜上制造的光子晶体器件进行高精度(亚微米)无损表征。 

01


测量


测量

我们使用显微镜的四个 LED 光源,使用 150 倍物镜,通过明场显微镜观察了浮膜装置。作为第一近似,我们始终假设观察到的图像反映了物体的表面特征 设备。但是,在某些设备中,例如包含介电层的设备,光可以穿透顶层并提供有关内部零件的信息,这非常有用。因此,我们试图将该技术应用于我们的浮膜装置。众所周知,由于砷化镓在室温下的缝隙能量为 1.52 eV(815 nm),因此在可见光谱范围内是不透明的。在所有较短的波长下,GaAs 的吸收系数都很大,并且与波长密切相关:1 在红色 LED(在 630 nm 处为 3.9µm-1)和蓝色 LED(在460 nm 处为 20.4µm-1)之间,GaAs 的吸收系数变化了 5 倍。nm)用于 Sensofar 显微镜。但是,对于我们使用的薄膜(250-260 nm),很有可能至少从红光中从设备的底部恢复有用信息,而红光很少被膜吸收。在图 2a-d 中,我们看到 PhC 膜装置的明场图像(用 150 倍物镜加4 倍变焦拍摄),显示为灰色六边形,因为无法成像单个 100 nm的孔。我们显示了使用红色(2a),绿色(2b),蓝色(2c),白色(2d)LED 拍摄的图像。我们可以清楚地观察到 LED 波长对图像的影响:蓝色图像(图 2c)仅显示了设备的顶部,红色图像(图 2a)显示了超出设备边缘的特征,显示为暗带。这些特征对应于器件的蚀刻不足区域,在使用红光时可通过膜观察到。正如我们从图 3 中的光谱所期望的那样,绿色(图 2b)和白色(图 2d)图像显示了蚀刻不足区域的非常弱的特征。我们还看到,中心部分(PhC 区域)比红色背景更亮。灯(2a),而在所有其他灯(2b-d)中更暗。这可能是与膜厚度有关的干扰效应。另一个方面当然是与红色图像(图 2a,e)相比,蓝色图像(图 2c,f)具有更高的分辨率,可以在较小的亚微米图像(0.4x0.8 µm)中观察到。设备中心的空腔。最后,在图 2e,f 中,我们分别在暗场中使用红色和蓝色 LED 显示相同的设备。可以清楚地看到底切区域(图 2e)和设备顶部的边缘(图 2f)。在这两个图像中,我们还观察到一些粒度,因此可以推断出这些粒度位于设备的表面而不是其下方。

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图2。 PhC 腔设备的明场图像,所有图像均使用 x150 物镜(明场,放大倍数 x4)拍摄。光源是红色 LED(a)。绿色 LED(b),蓝色 LED(c)和白色 LED(d)。在(e)和(f)中,我们分别看到用红色和蓝色 LED 拍摄的暗场图像(对应于 a 和 c中的 BF 图像) 

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图3. a)归一化为相等积分强度的四个 LED 的光谱。b)两次通过(往返)穿过260 nm 厚的 GaAs 膜(右轴)的光的衰减光谱(T2)和从(a)反射的 LED光的强度(左轴)。 



图像

在图 4 中,我们显示了 PhC WG 设备的蓝色(4a)和红色(4b)图像。与图 2a 和 c 相似,我们观察到蓝色图像的分辨率更高,表现在亚微米(0.4x0.8 µm)腔中。否则表面看起来很光滑(除了一些孤立的缺陷)。如果我们查看相同区域的红光图像(图 4b),则设备再次将整个阵列视为图像的最亮部分,并在其周围带有灰色带。它是膜下蚀刻部分的图像,仅在红光下可见。我们还观察到了这些“内部”表面的某些粒度(可能在膜的底部或基材的顶部),同样仅在此图像中可见。 


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图4.使用 150X物镜拍摄的 PhC WG 设备的明场图像。光源是蓝色 LED(a)和红色 LED





02

结论

➤ 结论


对薄膜半导体器件进行成像时,我们可以使用红光对整个膜进行成像,而蓝光仅显示器件的表面。使用蓝色和红色明场成像,我们可以比较光子设备的“顶部”和“内部”图像。在2D明场成像模式下的Sneox 3D光学轮廓仪非常快速,无损,并允许我们对原本不可见的设备特征进行成像。这对于表征多种类型的MEMS器件非常有用,因为Si的光吸收显示出与GaAs相似的趋势。


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