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膜光子晶体器件的无损表征

SMT, 案例研究, 消费类电子产品
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EPFL 纳米结构物理实验室 (LPN) 隶属于瑞士重点技术大学之一 - 洛桑联邦理工学院 (EPFL) 的物理研究所 (IPYS)。我们的研究重点是基于位置和能量控制的半导体量子点 (QD) 与光子晶体 (PhC) 光腔和波导 (WG) 的集成的光子纳米器件。 

S neox 可提供最多 4 种不同光源(红光、绿光、蓝光和白光),这对本研究中尤其重要

该研究是基于嵌入在光子晶体光腔中、导致发射增强(赛尔效应)的量子点的光学性质(图 1a),或者基于嵌入在波导中、用于生产光子多路复用器件的量子点的光学性质(图 1b)。典型器件是由多层砷化镓/Al0.7Ga0.3As/砷化镓外延生长的堆栈制造而成的,其中顶层 250 nm 厚的砷化镓层包含器件的有源部分,1 µm 厚 的 Al0.7Ga0.3As 为牺牲层,最终会被蚀刻掉,以产生浮膜器件(图 1c)。

膜在特定位置包含一个或几个 20 nm 的 In0.3Ga0.7As 量子点,以及与量子点精确对准的蚀刻光子晶体结构(100 nm 孔的大阵列,特定配置会缺少几个孔)。这些器件在不同处理步骤中要求 1-20 nm 精度,因此它们都涉及高性能电子束蚀刻和等离子 (ICP) 蚀刻。关键的最后一步是膜的释放,包括对牺牲层的湿蚀刻。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) 是表征光子晶体结构的唯一可用工具。

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图 1(a).嵌入了耦合 L3PhC 腔的量子点(暗点)网络的 SEM 图像。(b).光子晶体波导的 SEM 图像,顶部带有一个输出耦合器,并包含六个量子点(用红色三角形表示)。(c).悬浮膜期间的 SEM 截面图

这项研究中使用了 S neox。S neox 可提供最多 4 种不同光源(红光、绿光、蓝光和白光),这对本研究中尤其重要,因为使用 2D 明场高放大倍率成像和红光光源使我们能够探查原本不可见的膜下特征。这项研究的目的是对在薄 (250 nm) 悬浮砷化镓膜上制造的光子晶体器件进行高精度(亚微米)无损表征。

我们通过明场显微镜、使用 150 倍物镜并运用了显微镜的四个 LED 光源来观察浮膜器件。我们总是假设观察到的图像反映了器件的表面特征,并将其作为第一近似值。但是,在某些器件中(例如包含介电层的材料),光可以穿透顶层并提供有关内部零部件的信息,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带隙能量为 1.52 eV (815 nm),因此其在可见光谱范围内是不透明的。

在所有较短的波长下 砷化镓的吸收系数都很大,并且与波长密切相关:<sup>1</sup> 1.- J. O. Akinlami 和 A. O. Ashamu 2013 J. Semicond.34 032002 Sensofar 显微镜使用的红光 LED(630 nm 波长为 3.9µm-1)和蓝光 LED(460 nm 波长为 20.4µm-1)之间相差 5 倍。但是,对于我们使用的薄膜(波长 250-260 nm),有很大机会至少能够在红光下从器件底部恢复有用信息,因为红光很少被膜吸收。

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图 2. PhC 腔器件的明场图像,全部使用 150 倍物镜拍摄(明场,4 倍变焦)。光源是红光 LED (a)。绿光 LED (b)、蓝光 LED (c) 和白光 LED (d) 。在 (e) 和 (f) 中,我们分别看到用红光和蓝光 LED 拍摄的暗场图像(对应于 a 和 c 中的明场图像)
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图3. a) 归一化为相等整体强度的四种颜光 LED 光谱;b) 两次通过(来回穿过)260 nm 厚砷化镓膜(右轴)的光线的衰减光谱 (T2) ,以及两次通过(左轴)后从 (a) 反射的 LED 光强度。

图 4 中,我们显示了光子晶体波导器件的蓝光 (4a) 和红光 (4b) 图像。与 图 2a图 c 相似,我们观察到蓝光图像具有更高的分辨率,表现在亚微米 (0.4×0.8 µm) 腔中。

除此以外,表面看起来很平滑(某些孤立缺陷除外)。如果我们查看相同区域的红光图像( 图 4b ),器件再次将整个阵列视为图像的最亮部分,并在其周围显示灰色带。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(可能位于膜的底部或基材的顶部),同样仅在此图像中可见。

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<em>图 4</em>.使用 150 倍物镜拍摄的光子晶体波导器件的明场图像。光源是蓝光 LED (a) 和红光 LED (b)

在对薄膜半导体器件进行成像时,我们可以使用红光穿透膜进行成像,而蓝光仅能显示器件的表面。使用蓝光和红光进行明场成像,我们可以比对光子器件的“顶部”和“内部”图像。

2D 明场成像模式下的S neox 3D光学轮廓仪成像迅速且无损,使我们能够对原本不可见的器件特征进行成像。这对于表征多种类型的 MEMS 器件非常有用,因为硅 (Si) 的光吸收显示了出与砷化镓相似的趋势。

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