Załącznik nr 1. Projekty struktur falowodowych

Transkrypt

1 Załącznik nr 1 do sprawozdania merytorycznego z realizacji projektu badawczego Szybka nieliniowość fotorefrakcyjna w światłowodach półprzewodnikowych do zastosowań w elementach optoelektroniki zintegrowanej i telekomunikacji optycznej Nr UMO-2011/01/B/ST7/06234 Projekty struktur falowodowych Załączniki: załącznik 1a Analiza teoretyczna widm elektroabsorpcji i elektrorefrakcji załącznik 1b Projekty falowodów planarnych z warstwą prowadzącą o strukturze PMQW Wykonawcy: Prof. dr hab. Ewa Weinert-Rączka dr inż. Andrzej Ziółkowski, Szczecin

2 Sprawozdanie zawiera projekty struktur 1, 2, 4, 5, 11 i 12 w tym: 1. układy warstw epitaksjalnych 2. tabele implantacji 3. specyfikację płytki podłożowej 4. projekty kształtu elektrod Analiza teoretyczna widm elektroabsorpcji i elektrorefrakcji dla struktur półprzewodnikowych studni kwantowych, pod kątem wykorzystania ich jako warstw prowadzących fotorefrakcyjnych falowodów planarnych przedstawiona jest w załączniku 1a Projekty falowodów planarnych z warstwą prowadzącą o strukturze PMQW, pracujących w zakresach spektralnych odpowiadających oknom transmisyjnym wykorzystywanym w telekomunikacji optycznej przedstawiona są w załączniku 1b. Wszystkie struktury falowodowe wykonane zostały w Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych (ITME) w Warszawie metodą MOCVD na podłożu z półizolacyjnego GaAs. Napromieniowanie protonami niezbędne do uzyskania właściwości półizolacyjnych struktur epitaksjalnych wykonywane było we współpracy z Zakładem Fizyki Jonów i Implantacji Instytutu Fizyki UMCS. 2

3 Struktura 1 falowody jednomodowe z cienkim płaszczem. d GaAs 5-10? Przykrycie 83 Al 0,3 GaAs 6 Rdzeń 4 GaAs 7-3 Al 0,3 GaAs 6-2 GaAs 7-1 Al 0,3 GaAs 6 Rdzeń c Al 0,35 GaAs 1000 Rys. 1. Struktura (7 nm / 6 nm) z cienkim płaszczem x=0,35 Na podłożu z pół-izolacyjnego GaAs (SI) UWAGA: ze względu na ograniczoną głębokość zmian wywołanych przez implantację protonami (w celu zapewnienia własności pół-izolacyjnych) struktury powinny mieć możliwie najwęższą warstwę bufora oraz przykrycia z GaAs (warstwy b i d na rysunkach) Tabela1. Implantacja wykonana w ITME, (uzgodnienia z Grzegorzem Gawlikiem) ćwiartka Energia 1 Dawka 1 Energia 2 Dawka 2 uwagi A 160 kev 1x10 12 cm kev 1x10 12 cm -2 Z przerwą (*) B 160 kev 2x10 12 cm kev 2x10 12 cm -2 Z przerwą (*) C 160 kev 1x10 12 cm kev 1x10 12 cm -2 jedna implantacja po drugiej D 160 kev 2x10 12 cm kev 2x10 12 cm -2 jedna implantacja po drugiej (*) Przerwa między pierwszą a drugą implantacją w czasie której zrobiono próby badania Hall a i SIMS Ćwiartki C i D po napyleniu elektrod w Zakładzie prof. Lecha Dobrzańskiego zostały podzielone na falowody i naklejone na podstawki. Otrzymano 7 falowodów z ćwiartki C oraz 7 falowodów z ćwiartki D (Odebrane z ITME przez EWR dnia 21 listopada 2012). UWAGI: Struktura o odpowiedniej rezystancji ciemnej, ale o słabych właściwościach optycznych. Nie udały się próby wprowadzania światła. 3

4 Struktura 2 falowody jednomodowe z grubym płaszczem d GaAs 5-10? Przykrycie 61 Al 0,3 GaAs 10 Rdzeń 60 GaAs 7,5-4 GaAs 7,5-3 Al 0,3 GaAs 10-2 GaAs 7,5-1 Al 0,3 GaAs 10 Rdzeń c Al 0,3 GaAs 1500 Rys. 2. Struktura 2 - rdzeń MQW (7,5nm / 10 nm) z grubszym płaszczem x=0,3 i pół-izolacyjnym podłożem z GaAs (SI) - Płytka została podzielona w ITME na ćwiartki i wysłana do Lublina, do prof. Jerzego Żuka, w celu napromieniowania protonami. Rys. 3. oznaczenia ćwiartek Tabela 2. Implantacja na UMCS, trzy dawki H + ćwiartka Energia 1 Dawka 1 Dawka 2 Dawka 3 kev cm -2 Energia 2 kev cm -2 Energia 3 kev cm -2 A 260 1x x x10 12 B 260 1x x x10 12 C 260 1x x x10 12 D 270 1x x x10 12 uwagi UWAGI: Pomimo obiecujących wyników symulacji numerycznych struktury miały zbyt duże przewodnictwo ciemne. 4

5 Struktura 4 falowody z grubą izolacją optyczną bez wytrawiania, do implantacji w Lublinie d GaAs 5-10 Przykrycie 161 Al 0,3 GaAs 6 Rdzeń 4 GaAs 7-3 Al 0,3 GaAs 6-2 GaAs 7-1 Al 0,3 GaAs 6 Rdzeń c Al 0,35 GaAs 1000 Rys. 4. Struktura 4 rdzeń MQW (7 nm / 6 nm), płaszcz x=0,35 o grubości 1000 nm na pół-izolacyjnym podłożu GaAs (SI) oznaczenia ćwiartek Tabela 4. Implantacja na UMCS, cztery dawki H + ćwiart ka Energia 1 kev Dawka 1 Energia 2 Dawka 2 cm -2 Energia 3 kev Dawka 3 Energia 4 Dawka 4 cm -2 uwagi 4A bez H + 4B 270 1x x x x C 270 1,5x ,5x ,5x ,5x D 270 2x x x x10 12 Jedna z ćwiartek była połamana. Zrezygnowano z implantacji o dawce 1,5 Uwagi: Dobre właściwości elektryczne, właściwości optyczne nieco gorsze niż struktur 5 Problem z rozszerzalnością termiczną podstawek wykonanych z pleksi 5

6 Struktura 5 falowody z cienką izolacją optyczną d GaAs 5-10 Przykrycie 161 Al 0,3 GaAs 6 Rdzeń 4 GaAs 7-3 Al 0,3 GaAs 6-2 GaAs 7-1 Al 0,3 GaAs 6 Rdzeń c Al 0,35 GaAs 500 Rys.5. Struktura 5 rdzeń MQW (7 nm / 6 nm), płaszcz x=0,35 o grubości 500 nm na pół-izolacyjnym podłożu GaAs (SI). oznaczenia ćwiartek Tabela 5. Implantacja na UMCS, cztery dawki H + ćwiart ka Energia 1 kev Dawka 1 Energia 2 Dawka 2 Energia 3 Dawka 3 Energia 4 Dawka 4 cm -2 uwagi 5A bez H + 5B 250 1x x x x C 250 1,5x ,5x ,5x ,5x D 250 2x x x x10 12 Uwagi: Dobre właściwości elektryczne, dobre prowadzenie światła. Problem z rozszerzalnością termiczną podstawek wykonanych z pleksi. Kilka falowodów uległo zniszczeniu w wyniku przebicia przy przykładaniu dużych napięć. 6

7 Struktura 11 Falowód jednomodowy GaAs/AlGaAs, studnie: 7nm / bariery: 6nm Rys. 6. Struktura (7+6)nm z płaszczem x = 0,3 o grubości 1000 nm z pół-izolacyjnym (SI) d GaAs 10 Przykrycie 83 Al 0,3 GaAs 6 Rdzeń 82 GaAs 7-4 GaAs 7-3 Al 0,3 GaAs 6-2 GaAs 7-1 Al 0,3 GaAs 6 Rdzeń c Al 0,3 GaAs 1000 GaAs/AlGaAs 41 x podłożem GaAs Grubość warstw epitaksjalnych: Rdzeń 41 x (7 nm GaAs + 6nm Al 0,3 Ga 0,7 As) = 533 nm i 1 dodatkowa bariera z Al 0.3 Ga 0.7 As nm Bufor i przykrycie GaAs 20 nm Razem nm Tabela 6. Implantacja na UMCS, cztery dawki H + ćwiart ka Energia 1 kev Dawka 1 Energia 2 Dawka 2 Energia 3 Dawka 3 Energia 4 Dawka 4 cm -2 uwagi 11A 240 1x x x x B 240 1x x x x10 12 jak A 11C 240 2x x x x D 240 2x x x x10 12 jak C Uwagi: falowody naklejone na specjalne podstawki wykonane ze szkła ULE o bardzo niskiej rozszerzalności termicznej. Elektrody o zaokrąglonych krawędziach wykonane w ITE. Małe przewodnictwo ciemne, dobre prowadzenie światła. 7

8 Struktura 12 Falowód wielomodowy GaAs/AlGaAs, studnie: 7nm / bariery: 6nm d GaAs 5-10 Przykrycie 161 Al 0,3 GaAs 6 Rdzeń 4 GaAs 7-3 Al 0,3 GaAs 6-2 GaAs 7-1 Al 0,3 GaAs 6 Rdzeń c Al 0,35 GaAs 850 Rys.7. Struktura AlGaAs 80 x (7+6)nm z płaszczem x = 0,3 o grubości 850 nm z pół-izolacyjnym podłożem GaAs (SI) Grubość warstw epitaksjalnych: Rdzeń 80 x (7 nm GaAs + 6nm Al 0,3 Ga 0,7 As) = nm i 1 dodatkowa bariera z Al 0.3 Ga 0.7 As 856 nm Bufor i przykrycie GaAs 20 nm Razem nm Tabela 7. Implantacja na UMCS, cztery dawki H + ćwiart ka Energia 1 kev Dawka 1 Energia 2 Dawka 2 Energia 3 Dawka 3 Energia 4 Dawka 4 cm -2 uwagi 12A 260 1x x x x B 260 1x x x x10 12 jak A 12C 260 2x x x x D 260 2x x x x10 12 jak C Uwagi: falowody naklejone na specjalne podstawki wykonane ze szkła ULE o bardzo niskiej rozszerzalności cieplnej. Elektrody o zaokrąglonych krawędziach wykonane w ITE. Małe przewodnictwo ciemne, dobre prowadzenie światła. 8

9 9

10 Projekt układu elektrod Rys. 8a Projekt układu elektrod na jednej ćwiartce płytki Kierunki osi krystalograficznych: Kształty elektrod T i L zawierają informacje o kierunku falowodu: L falowód równoległy do osi (0-1-1), czyli do major flat T falowód równoległy do osi (0-11), czyli do minor flat 10

11 Rys. 8b Projekt układu elektrod na całej płytce 11