由多孔硅多层制成的随机介电异质结构的光学特性

Bonifacio Alvarado T.和V. Agarwal

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Azojomo（ISSN 1833-122X）2008年7月4日

涵盖了主题

抽象的
介绍
实验细节
结果与讨论
结论
致谢
参考
联系方式

抽象的

为了研究随机电介质多层的光的反射，我们在这里研究了基于多孔 - 硅的异质结构的光学性质。多层系统（20和40层）是通过具有Na = 1.2和Nb = 2的多孔硅层制造的，以使每一层的光学长度为162 nm。分析了具有部分（仅10层）和完全随机序列的结构的反射率，并与经典周期结构进行了比较。

关键字

异质结构，多孔硅，光子带隙，电介质多层。

介绍

多孔硅由于其有效的可见光发光[1]引起了人们的注意[1]，由于其较大的表面积，其矩阵的能力，其与集成光电的标准硅过程的兼容性[2]以及作为光子应用的有前途的材料[3-5]。多孔硅的制造使用晶体硅（C-SI）的电化学蚀刻，其易于且便宜。此外，这种方法使我们有可能在相同材料中具有广泛的折射率对比度，以避免层之间的扩散问题。多孔硅由一个结构组成，该结构包含许多被空气包围的纳米晶硅树枝。在该材料中，孔隙率是特定的HF浓度和阳极氧化时间的电流密度的线性函数，已知在不同的孔隙岩的折射率对比度[6]。基于HF去除晶体结构的Si原子的事实，主要围绕电子孔，多孔硅结构中的Si Crystallites主要是固有的，因此HF和Si之间的反应仅在孔的尖端发生。因此，在两种不同电流密度之间交替的周期性脉冲已成为制造多层P-SI膜的方便程序[7-8]。

在光子学中，众所周知，这些结构中的控制参数是光学路径，该路径由折射率和层的物理厚度D的乘积（ND）给出。因此，多孔硅层的厚度和折射率控制光子结构中光的行为，特别是多层镜的反射率谱中的峰值波长。此外，由于金属的可见和红外光谱中的分散和吸收区域，介电镜比金属镜具有优势[9]。这类一维光子带隙结构已经发现了许多应用，例如介电镜，波导，传感器和其他设备。众所周知，该疾病改变了电子带结构，例如与晶硅相比，无定形硅具有更宽的电子带隙。考虑到类似于电子状态的光子模式，可以通过周期性结构随机化来修改反射频谱。通过保持低折射率层的厚度和孔隙率恒定并改变厚度，而不是高折射率层的孔隙率，从而获得了随机的bragg反射器[10]。随机生成各种厚度，使它们的直方图形成以平均值为中心的高斯分布。发现增加厚度标准偏差的效果是扩大光子带隙而不会损失反射率。 In this paper we discuss in detail the experimental implementation of some other ideas dealing with random dielectric multilayers from PS and their optical characterization. In particular, we present a comparison of the reflectivity spectrum of porous silicon dielectric Bragg mirrors made of 20/40 layers with their corresponding partially and completely randomized sequences, keeping the refractive indices and thicknesses constant.

在第二部分中，我们详细解释了实验设置和过程，以便基于多孔硅制造这些光子纳米结构。第三节显示了我们的一些结果，其中为可见和接近红外范围设计了随机多层。由于高质量的微腔在大多数基于光子晶体的应用中具有至关重要的作用。最后，第四节结束了该文章，该文章显示了多孔硅随机多层作为不同应用的有希望的光子结构的相关性。

实验程序

我们已经使用了电阻率为0.001-0.005 ohm-cm的硼掺杂P ++型晶体硅，（100）定向底物来制造我们的样品。在室温下以27％体积分数的HF溶液进行阳极氧化，即体积比为3：7 hf（48 wt％）的溶液，取乙醇（98 wt％）用于电化学阳极氧化过程。电流密度由计算机控制。高孔隙率H（70％，电流密度80 mA/cm²，有效折射率为1.2）和低孔隙率（35％，电流密度为5 mA/cm²在NB = 2.0）中定期重复，形成过滤器，镜子和耦合的微腔（CMC）结构。PSI层的折射率使用了1500 nm的2 µm厚单层的反射率光谱进行了估计。另外，为了在化学攻击下保持在Si和PSI之间的界面上的恒定HF浓度，在蚀刻过程中，使用蠕动泵来循环Teflon细胞内的电解质。当通过控制阳极氧化过程的电子电路之间施加恒定电流和电解质之间的恒定电流时，阳极氧化就开始了。每层形成后，都给出了3秒钟的暂停以进行HF浓度的再生。多孔硅镜的光学表征是通过8°发病率的Perkin Elmer UV-VIS-NIR分光光度计（UV-3101）进行的。扫描电子显微镜（SEM）用于检查膜的结构特征。

结果与讨论

使用ND =λ/4获得光学介电式bragg镜，用于波长650 nm。图1显示了以20和40分层系统为中心的介电bragg镜（Babababa….10/20次）的测得的反射率光谱。在这里，“ B”和“ A”分别代表低孔隙率和高孔隙率层。介电结构是通过使用5和80 mA/cm制成的²电流密度对应于NB/NA = 2.0/1.2的折射率对比度。这里的NB和NA对应于低孔隙率和高孔隙率层。观察到大约180 nm宽的光子带隙。图2显示了具有20层的随机序列之一的反射率谱，其厚度和折射率与周期性结构相同。图2中所示的随机结构的序列如下：“ Bbabbabaaabaabaabababa”。反射光谱显示了光子带隙分为两个部分，例如在任何Fabry-Perot干扰滤波器中。最小值为720 nm，两侧出现的明显bragg镜子显示出很高的反射率，这使结构成为720 nm的非常好的滤镜，而不会增加结构的整体厚度。这种结构对于化学和生物传感器可能非常有用，在化学和生物传感器中，结构的厚度是确保生物/化学物种浸润的重要因素。

图1。介电bragg镜的反射光谱为650nm波长制造，其折射率对比度为2.0/1.2（a）20层系统（b）40层系统。

图2。部分随机结构的反射光谱Bbabbabaaabaabaabababa用相同的层A和B制造，其折射率和厚度与20层的周期性结构相同，即2.0/1.2的折射率对比度

同样，还发现其他一些随机结构证明了有趣的光学特性。图3显示了来自20个分层的另一个可能的序列。AB”系统。序列如下：

“Abababaabbaababab透明

该结构分别在708和790 nm处显示两个微腔。发现每个反射率倾斜的线宽度小于20 nm。换句话说，在样本中发现了许多狭窄的共振。发现镜子的反射率几乎为100％。

图3。

图4显示了与图1（b）相当的40层形成的随机结构的反射率。该图表明，分别在520,588、640、724、814,898和1110 nm处形成了七个微腔。在814 nm处观察到最小反射率，其中反射率下降至25％。观察到的光谱也可以用作可见的和近红外区域的传感器。

图4。bbabbabaaabaabaabababababababaaabaabaabaabaabababa的反射光谱用相同的层A和B制造，其折射率和厚度与40层的定期结构，即2.0/1.2的折射率对比度相同。

结论

研究了从多孔硅多层获得的异质结构的光学性质。多层系统（20和40层）是通过具有2/1.2对比的多孔硅层制造的，以使每一层的光学长度为162 nm。分析了具有部分（仅10层）和完全随机序列的结构的反射率，并与经典周期结构进行了比较。发现部分随机结构具有许多特征（样品内部的许多狭窄共振）与其在光学干涉测量生物传感器中的应用相关，并且可以作为有希望的光子结构得出结论。

致谢

这项工作得到了Promep（NPTC-52）和Conacyt项目42939的财务支持。我们承认与M. Eduardo Mora博士和J. Escorcia-Garcia博士进行了讨论。

参考

1. L.T.Canham，“通过电化学和化学溶解的硅量子阵列阵列制造”，Appl。物理。Lett。，57（1990）1046-1048。
2. H. A. Lopez和P. M. Fauchet，“基于掺杂Erbium的硅肛门复合材料的红外LED和微腔”，Mater。科学。and Eng。，B 81（2001）91-96。
3. V. Agarwal和J.A.Del Rio，“多孔硅电介质镜的光子带量的剪裁”，应用。物理。Lett。，82（2003）1512-1514。
4. V. Agarwal，J.A Del Rio，G.，M。Zamfirescu，A。Kavokin，D。Coquillat，D。Scalbert，M。Vladimirova和B. Gil，“多孔硅光学光学光学超级层次中的光子Bloch振荡”，物理。Rev. Lett。，92，097401（2004）。
5.杰米·R·林克（Jamie R.
6. W. Theiss和S. Hilbrich，“多孔硅的属性”，由L.T.CANHAM EMIS DATAREVIEWS系列PG编辑。223（Inspec/IEE，伦敦，1998年）。
7. M. Ghullinyan，C.J。Oton，Z。Gaburro，P。Bettotti和L. Pavesi，“多孔硅独立式耦合的微腔”，Appl。物理。Lett。，82（2003）1550-1552。
8. S. Chan和P. M. Fauchet，“可调，狭窄和定向发光，来自多孔硅光发射设备”，Appl。物理。Lett。，75（1999）274-276。
9. Dwight E. Gray，“美国物理学研究所”，纽约州AIP Melville，第6页，1972年。
10. L. Pavesi和P. Dubos，“随机多孔硅多层：应用于分布的Bragg反射器和干预Fabry -Perot过滤器”，Semicon。欧洲杯线上买球Science Technol。，12（1997）570-575。

联系方式

Bonifacio Alvarado T.和V. Agarwal* CIICAP-大学Autónomadel Estado deMéxico（UAEM） av。Chamilpa上校1001大学，CP 62209，Cuernavaca，Morelos 墨西哥 电子邮件：[电子邮件保护]

本文还发表在“材料和材料加工杂志的技术进步，9 [2]（2007）131-134”中。欧洲杯足球竞彩