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Fallstudien

Zerstörungsfreie Charakterisierung von photonischen Membran-Kristallbauelementen

Fallstudien, Consumer Electronics, SMT
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EPFL Das Labor für Physik der Nanostrukturen (LPN) gehört zum Institut für Physik (IPYS) der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), einer der führenden technischen Hochschulen der Schweiz. Unsere Hauptstudie befasst sich mit photonischen Nanobauteilen, die auf der Integration von positions- und energiekontrollierten Halbleiter-Quantenpunkten (QDs) mit optischen Kavitäten und Wellenleitern (WGs) aus photonischen Kristallen (PhC) basieren. 

Das S neox bietet bis zu 4 verschiedene Lichtquellen (rot, grün, blau und weiß), was für diese Studie besonders wichtig ist

Die Untersuchung basiert auf den optischen Eigenschaften von für verstärkte Emission (Purcell-Effekt) in PhC-Hohlräume (Abb. 1a), oder zur Erstellung von Photonenmultiplexern in Lichtwellenleiter (WG) (Abb. 1b) eingebetteten Quantenpunkten (QP). Ein typisches Bauelement wird aus einem mehrschichtigen, epitaktisch gewachsenen GaAs/Al0.7Ga0.3As/GaAs-Stapel hergestellt, wobei die obere 250 nm dicke GaAs-Schicht den aktiven Teil des Bauelements enthält und die 1 μm dicke Al0.7Ga0.3As-Opferschicht schließlich weggeätzt wird, um ein schwimmendes Membranbauelement zu erzeugen (Abb. 1c).

Diese Membran enthält einen oder mehrere 20 nm große In0.3Ga0.7As-QDs an bestimmten Positionen und eine geätzte PhC-Struktur (große Anordnung von 100 nm großen Löchern, wobei mehrere Löcher in einer bestimmten Konfiguration fehlen), die genau auf die QDs ausgerichtet ist. Diese Bauelemente erfordern in mehreren Arbeitsschritten eine Genauigkeit von 1-20 nm, und damit leistungsstarke Elektronenstrahllithographie und Plasmaätzung (ICP). Der entscheidende letzte Schritt ist die Freisetzung der Membran und das Nassätzen der Opferschicht. Da es in diesem Stadium keine Möglichkeit gibt, einen Querschnitt der Proben zu betrachten, sind die optische Mikroskopie in der Draufsicht und die Rasterelektronenmikroskopie (REM) die einzig möglichen Instrumente zur Charakterisierung der PhC-Strukturen.

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Abb. 1(a). REM-Aufnahme eines Netzes von QDs (dunklere Flecken), die in gekoppelte L3PhC-Hohlräume eingebettet sind. (b). REM-Aufnahme eines PhC-Wellenleiters mit einem Auskoppler an der Spitze, der sechs QDs enthält (durch rote Dreiecke gekennzeichnet). (c). REM-Aufnahme des Querschnitts eines Membranbauelements in Suspension

Bei dieser Studie kam das S neox zum Einsatz. Das S neox bietet bis zu 4 verschiedene Lichtquellen (rot, grün, blau und weiß), was für diese Studie besonders wichtig ist. Die 2D-Hellfeld-Bildgebung mit starker Vergrößerung und einer roten Lichtquelle ermöglicht es uns, die Merkmale unter der Membran zu untersuchen, die auf andere Weise nicht sichtbar gemacht werden können. Ziel der Studien ist die hochpräzise, zerstörungsfreie Subnanometer-Charakterisierung photonischer Kristallbauelemente, die auf dünnen (250 nm) GaAs-Membranen in Suspension hergestellt werden.

Betrachtet wurden die schwimmenden Membranbauelemente mit Hilfe der Hellfeldmikroskopie unter Verwendung des 150X-Objektivs (manchmal in Kombination mit einem weiteren Bildzoom), wobei die vier LED-Lichtquellen des Mikroskops genutzt wurden. Als erste Annäherung wird stets angenommen, dass das entstehende Bild die Oberflächengestaltung des Bauelements widerspiegelt. Bei einigen Bauelementen, wie beispielsweise solchen, die dielektrische Schichten umfassen, kann das Licht die oberste Schicht durchdringen und Daten über die inneren Teile des Objekts liefern. Dies ist von höchstem Nutzen. Wir versucht, diese Technik auf unsere schwimmenden Membranbauelemente anzuwenden. GaAs ist im sichtbaren Spektralbereich aufgrund seiner Lückenenergie von 1,52 eV (815 nm) bei Raumtemperatur bekanntlich undurchsichtig.

Bei allen kürzeren Wellenlängen ist der Absorptionskoeffizient von GaAs groß und stark von der Wellenlänge abhängig:<sup>1</sup> 1.- J. O. Akinlami and A. O. Ashamu 2013 J. Semicond. 34 032002 er variiert um den Faktor 5 zwischen der roten LED (3,9 µm-1 bei 630 nm) und der blauen LED (20,4 µm-1 bei 460 nm) des Mikroskops von Sensofar. Bei den von uns genutzten Feinmembranen (250-260 nm) bestehen so gute Chancen, nützliche Daten über den unteren Teil des Bauelements zu erhalten, zumindest mit rotem Licht, das von der Membran weniger stark absorbiert wird.

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Abb. 2. Hellfeld-Bilder eines PhC-Hohlraum-Bauelements, aufgenommen mit dem x150-Objektiv (Hellfeld, Zoom x4). Lichtquelle: rote LED (a). grüne LED (b), blaue LED (c) und weiße LED (d). Die Abbildungen (e) und (f) zeigen mit der roten bzw. blauen LED aufgenommene Dunkelfeldbilder (entsprechend den Hellfeldbildern in a und c)
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Abb. 3. a) Spektren der vier LEDs, normiert auf gleiche integrierte Intensitäten. b) Das Spektrum der Abschwächung (T2) von Licht, das zweimal (hin und zurück) durch eine 260 nm dicke GaAs-Membran (rechte Achse) fällt, und die Intensität des reflektierten LED-Lichts aus (a) nach dem doppelten Durchgang (linke Achse).

In Abb. 4 sind blaue (4a) und rote (4b) Bilder des PhC-WG-Bauelements zu sehen. Ähnliche wie bei Abb. 2a und c, ist die höhere Auflösung des blauen Bildes zu erkennen, was sich in den in den Submikron-Hohlräumen (0,4×0,8 µm) zeigt.

Ansonsten verfügt die Oberfläche über ein glattes Erscheinungsbild (abgesehen von vereinzelten Defekten). Beim Betrachten des roten Bildes desselben Bereichs (Abb. 4b) wird das gesamte Feld als hellster, mit einem grauen Band umgebener Teil des Bildes sichtbar. Es handelt sich um die Abbildung des geätzten Teils unter der Membran, das nur mit rotem Licht sichtbar wird. Auch ausschließlich auf diesem Bild sichtbar ist die gewisse Granularität, die die „inneren“ Oberflächen aufweisen (es könnte sich um die Unterseite der Membran oder um die Oberseite des Substrats handeln).

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Abb. 4. Hellfeldaufnahme eines PhC-WG-Bauelements unter Einsatz eines Objektivs mit 150-facher Vergrößerung. Lichtquelle: blaue LED (a) und rote LED (b)

Bei der Abbildung von Feinmembran-Halbleiterbauelementen durchdringt rotes Licht die Membran, während blaues Licht nur die Oberfläche des Bauelements abbildet. Durch Hellfeldabbildungen mit blauem und rotem Licht konnten wir die Bilder der Außen- und Innenseite unserer photonischen Bauelement vergleichen.

Der optische 3D-Profiler von S neox im 2D-Hellfeldmodus arbeitet rasch und zerstörungsfrei, er ermöglicht uns die Abbildung von Bauteilmerkmalen, die sonst nicht sichtbar sind. Er wäre von großem Nutzen bei der Charakterisierung zahlreicher MEMS-Bauelemente, da die optische Absorption von Si einen ähnlichen Trend wie die von GaAs aufweist.

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