WPŁYW TRAWIENIA PODŁOŻY 4H-SiC NA EPITAKSJĘ GaN

Transkrypt

1 P. Caban, K. Kościewicz, W. Strupiński,... PL ISSN MATERIAŁY ELEKTRONICZNE T NR 4 WPŁYW TRAWIENIA PODŁOŻY 4H-SiC NA EPITAKSJĘ GaN Piotr Caban 1,2, Kinga Kościewicz 1,3, Włodzimierz Strupiński 1, K. Pągowska 4, R. Ratajczak 4, Marek Wójcik 1, Jarosław Gaca 1, Andrzej Turos 1,4 J. Szmidt 2 Przedstawiono wyniki prób osadzania azotku galu na podłożach z węglika krzemu w technologii epitaksji ze związków metalorganicznych w fazie pary w obniżonym ciśnieniu (LP MOVPE). W szczególności zbadano wpływ trawienia podłoży oraz ich odchylenia od osi (0001) na morfologię powierzchni oraz strukturę krystalograficzną osadzanego GaN. Stwierdzono, że trawienie podłoży ma wpływ na chropowatość powierzchni warstw epitaksjalnych, ale również poprawia strukturę krystalograficzną. Warstwy GaN zostały scharakteryzowane przy wykorzystaniu pomiarów AFM, HRXRD, RBS oraz pomiaru efektu Hall`a. Zaobserwowano, że najbardziej odpowiednim z analizowanych podłoży do epitaksji GaN jest 4H-SiC są te, które nie mają odchylenia od osi kryształu (0001). Słowa kluczowe: LP MOVPE, GaN, 4H-SiC WSTĘP Znaczna poprawa efektywności przyrządów bazujących na GaN jest możliwa tylko przez poprawę podłoży, rozumianej, jako zmniejszenie ilości defektów, które mogą propagować się z podłoża do warstwy oraz dopasowania stałych sieci warstwy 1 Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, ul. Wólczyńska 133, Warszawa, piotr.caban@itme.edu.pl 2 Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki, Politechnika Warszawska, ul. Koszykowa 75, Warszawa 3 Wydział Inżynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska, ul. Wołoska 141, Warszawa 4 Instytut Problemów Jądrowych, Świerk/Otwock 5

2 Wpływ trawienia podłoży 4H-SiC na epitaksję GaN epitaksjalnej. Najlepszym rozwiązaniem jest zastosowanie podłoży do homoepitaksji z GaN, co niestety obecnie jest nadal rozwiązaniem zbyt drogim i hamuje rozwój przyrządów z azotku galu. Aktualnie uważa się, że najlepszym podłożem do epitaksji jest węglik krzemu (SiC). Małe niedopasowanie sieciowe (3.4%) pozwala nawet na otrzymanie GaN o strukturze kubicznej, która jest strukturą o większej symetrii niż struktura wurcytu i eliminuje efekt polaryzacji kryształu. Inne właściwości SiC są też lepsze niż innych półprzewodników. Wysokie przewodnictwo termiczne oraz współczynnik rozszerzalności termicznej zbliżony do GaN, klasyfikuje go jako najlepszy materiał podłożowy do epitaksji GaN, w szczególności do struktur mających zastosowanie w półprzewodnikowych przyrządach mocy. Właściwości SiC pozwalają na zastosowanie go jako podłoża w strukturach przyrządów wysokiej mocy, o podwyższonej temperaturze pracy i odporności na działanie dużego natężenia pola elektromagnetycznego czyli tak powszechnych dzisiaj urządzeniach telekomunikacji bezprzewodowej (np.: Wi-Fi, GSM), a w szczególności w systemach radarowych. Wiadomym jest, że proces przygotowania podłoży ma duży wpływ na otrzymywane na warstwach epitaksjalnych przyrządy i może bardzo zmniejszyć chropowatość warstwy epitaksjalnej. Komercyjne podłoża SiC, ze względu na trudny proces obróbki kryształu, zwykle pokryte są rysami. Typowy przykład powierzchni płytki komercyjnej pokazuje Rys.1a. Słaba morfologia podłoża nie jest akceptowalna przy wzroście warstw epitaksjalnych, istnieją jednak metody przygotowania podłoży do wzrostu, które wykonują specjalizujące się w tym laboratoria (np. Novasic), nie podając jednak szczegółów procesu obróbki. Istnieją również przykłady przygotowania podłoży w trakcie wzrostu (in-situ) w specjalnym procesie trawienia [1]. O możliwościach poprawy świadczą warstwy epitaksjalne o bardzo niskiej chropowatość (RMS blisko 0.3 nm), które uzyskano przy wytwarzaniu struktur HEMT bazujących na GaN [2]. Najniższą chropowatość powierzchni (RMS = 0.18 nm) udało się uzyskać w przypadku wzrostu GaN na podłożach SiC zorientowanych wzdłuż płaszczyzny krystalograficznej m kryształu [3]. Udało się także uzyskać znaczną poprawę doskonałości krystalicznej warstw, o czym świadczy zmniejszenie szerokości połówkowych refleksu 200 pochodzącego od warstwy epitaksjalnej GaN, mierzonych za pomocą techniki HRXRD nawet do ~ 50 arcsec [2, 4]. Istnieją również doniesienia o zaletach wzrostu GaN na zorientowanych podłożach SiC [5]. Celem przeprowadzonych badań było pokazanie wpływu dezorientacji oraz przygotowania podłoży przed wzrostem GaN na jego strukturę krystalograficzną i morfologię. Przedstawione badania pokazują, że wzrost azotku galu na podłożach 4H-SiC zorientowanych wzdłuż kierunku (0001), połączony z procesem przygotowania podłoża prowadzi do poprawy jakości uzyskiwanych warstw epitaksjalnych. 6

3 P. Caban, K. Kościewicz, W. Strupiński, EKSPERYMENT Cześć doświadczalna pracy została podzielona na dwie części. W pierwszej opisano przygotowanie podłoży do wzrostu, natomiast w drugiej osadzanie azotku galu. W prezentowanych badaniach jako podłoża do epitaksji wykorzystano płytki podłożowe typu N, 4H-SiC o orientacji (0001) oraz z dezorientacją 4º i 8º w kierunku (11-20). Dla zbadania wpływu domieszkowania podłoża na proces epitaksji wykonano proces osadzania, w którym wykorzystano podłoża 4H-SiC półizolacyjne (SI), o orientacji (0001) oraz z dezorientacją 8º w kierunku (11-20). Przygotowanie podłoża oraz epitaksja GaN dotyczyły strony o polarności krzemowej SiC. Płytki podłożowe zostały pocięte na kawałki o rozmiarze 1.5 cm x 1.5 cm, umyte w alkoholu, wodzie dejonizowanej i wysuszone w azocie. Następnie połowa z nich została poddana specjalnemu procesowi przygotowania podłoży, który został opisany poniżej, a pozostała część podłoży został użyta jako podłoża o przygotowaniu powierzchni takim jak otrzymano od dostawcy komercyjnego płytek epi-ready. Trawienie powierzchni podłoża zostało przygotowane w reaktorze do osadzania chemicznego w atmosferze gazowej z gorącymi ścianami, z poziomym grzejnikiem grafitowym pokrytym SiC i TiC, grzanym indukcyjnie przez generator RF. Trawienie odbywalo sie w mieszaninie H 2 + C 3 H 8 [6], w temperaturze ~1600 o C przez 10 minut. Warunki w jakich przeprowadzono procedurę przygotowania podłoży były optymalne dla podłoży SiC, z odchyleniem 8 º od osi kryształu [7]. Aby uzyskać powtarzalność oraz możliwość porównania wyników eksperymentu trawienie podłoży zostało przeprowadzone podczas jednego procesu. Następnie osadzono azotek galu, również podczas jednego procesu wzrostu na podłożach trawionych (oznaczonych E) oraz na podłożach z powierzchnią przygotowaną przez producenta - podłoży nietrawionych (oznaczonych N). Warstwy GaN zostały osadzone na węgliku krzemu ( podłoża z powierzchnią trawioną i z wykończeniem producenta) w urządzeniu AIX 200/4 RF-S do epitaksji związków półprzewodnikowych ze związków metalorganicznych w fazie pary w obniżonym ciśnieniu (LP MOVPE). Na początku wzrostu osadzona została, jako warstwa zwilżająca 100 nm warstwa AlN [8-9], a następnie warstwa GaN ~1300 nm. Źródłem reagentów były: trójmetylek aluminium (TMAl, 20 ml/min), trójmetylek galu (TMGa, 20 ml/min) i amoniak (NH 3, 2000 ml/min jednakowo dla AlN oraz GaN). Temperatura wzrostu dla AlN to 1070ºC i 1115ºC dla GaN. Ciśnienie w reaktorze zostało ustalone na 50 mbar dla obydwu warstw. Jako gaz nośny został wykorzystany wodór oczyszczony w oczyszczalnikach palladowych. W przeciwieństwie do osadzania GaN na szafirze z procedury wzrostu usunięto wygrzewanie podłoży w wodorze w wysokiej temperaturze. Zbadano wpływ trawienia podłoży SiC oraz dezorientacji podłoża na wzrost GaN oraz warstwy zwilżającej AlN, natomiast na warstwach osadzonych na podłożach 7

4 Wpływ trawienia podłoży 4H-SiC na epitaksję GaN półizolacyjnych zmierzono również efekt Hall`a. Morfologia powierzchni podłoży oraz osadzonych warstw została zanalizowana mikroskopem optycznym z kontrastem Nomarskiego oraz mikroskopem sił atomowych (AFM). Pomiary rentgenowskie zostały przeprowadzone przy zastosowaniu wysokorozdzielczego dyfraktometru rentgenowskiego, którego układ optyczny wyposażony jest w monochromator germanowy Bartelsa wykorzystujący odbicie od płaszczyzn sieciowych 440. Wykorzystano ceramiczną lampę rentgenowską produkcji firmy Philips z anodą miedziową wytwarzającą wiązkę promieniowania rentgenowskiego o długości nm. Mierzono szerokość połówkową σ symetrycznego refleksu 200, pochodzącego od warstwy epitaksjalnej GaN, zarejestrowaną metodą skanowania przestrzeni odwrotnej kryształu w kierunku prostopadłym (θ/2θ scan mode) do płaszczyzn odbijających, a także szerokość połówkową σ tego refleksu zarejestrowaną metodą skanowania w kierunku równoległym (ω scan mode) do wspomnianych płaszczyzn [10]. Pomiary RBS/channeling zostały wykonane przy wykorzystaniu ionów 4 He o energii 3.77 MeV w IIM, Forschungszentrum w Dreźnie. Wszystkie warstwy GaN osadzone na półizolacyjnych i przewodzących podłożach nietrawionych i trawionych wykazywały wysoką rezystywność (na osadzonych warstwach nie można zmierzyc efektu Hall`a). 3. REZULTATY I DYSKUSJA WYNIKÓW Efekt polepszenia jakości powierzchni podłoży w wyniku trawienia, miał miejsce na wszystkich badanych podłożach. Porównanie Rys. 1a z pozostałymi (Rys.1b 1e) pokazuje, że podczas przygotowania podłoża mieszanina wodoru i propanu reaguje z powierzchnią SiC i usuwa z niej rysy. Analiza otrzymanych warstw oraz efektów trawienia w nanoskali (AFM) wykazala, że proces przygotowania podłoży z odchyleniem od osi kryształu (0001) zachodzi w odmienny sposób niż dla innych orientacji. Należy zaznaczyć, że zastosowane w procesie przygotowania badanych podłoży warunki trawienia zostały zoptymalizowane dla podłoży przewodzących tylko dla podłoży typu N, 4H-SiC z 8º odchyleniem od osi (0001). Wynika to z faktu, że proces ten został opracowany dla urządzenia CVD wykorzystywanego do homoepitaksji SiC, w której wykorzystuje się głównie podłoża z 8º odchyleniem od osi (0001). Dla tej dezorientacji podłoża, wyniki AFM (Rys. 1b-c) pomiaru jednorodności powierzchni pokazały, że próbki 8E i 8SIE są lepsze niż 8N i 8SIN. W Tabeli 1 przedstawiono rezultaty pomiarów chropowatości dla badanych dezorientacji podłoży. W przypadku 0N i 0E (Rys. 1d) proces przygotowania podłoży również zmniejszył chropowatość powierzchni podłoży. Zastosowane warunki trawienia zmieniły wartość RMS z 1.84 nm do 0.05 nm (R a z 1.49 nm do 0.11 nm). 8

5 P. Caban, K. Kościewicz, W. Strupiński,... Rys. 1. Morfologia powierzchni podłoży: 4H-SiC a) nietrawione (8º - odchylenie); b) 8E, c) 8SIE, d) 0E, e) 4E, - po procesie trawienia (rozmiar skanu: 5 μm x 5 μm). Fig. 1. 4H-SiC substrates surface morphology of: a) as-received substrate (orientation 8º - off axis); b) 8E, c) 8SIE, d) 0E, e) 4E, - after surface preparation (scan size: 5 μm x 5 μm). 9

6 Wpływ trawienia podłoży 4H-SiC na epitaksję GaN Tabela 1. Chropowatość powierzchni mierzona AFM (w nm) dla próbek: nietrawionych (N) oraz trawionych (E) z różnym odchyleniem od osi, a także warstw GaN osadzonych na podłożach bez trawienia (N-GaN) i trawionych (E-GaN). Table 1. The AFM surface roughness results (in nm) for: as-received (N) and etched (E) differently off-cut substrates and also for GaN layer on the as-received (N-GaN) and etched (E-GaN) substrates Odchylenie podłoża [deg] 8SI [nm] N E N-GaN E-GaN RMS Ra RMS Ra RMS Ra RMS Ra Niestety proces ten nie nadaje się do trawienia podłoży z odchyleniem 4º, po usunięciu rys, powierzchnia zaczyna trawić się selektywnie i chropowatość powierzchni dramatycznie wzrasta (Rys. 1e). Wyniki chropowatości powierzchni warstwy azotku galu osadzonej na analizowanych podłożach przedstawiono w Tabeli 1. Można wnioskować, że w przypadku warstw osadzanych na podłożach z odchyleniem 8º proces przygotowania podłoży ma wpływ na chropowatość warstwy GaN tylko w przypadku SiC typu N. Dla SI SiC nie ma poprawy wartości RMS, natomiast w przypadku warstw trawionych osadzonych na podłożach z odchyleniem 4º warstwa epitaksjalna powiela morfologię podłoża, w rezultacie otrzymana warstwa jest bardzo chropowata. Najlepsze wyniki uzyskano dla podłoży z odchyleniem 0º. Chropowatość powierzchni warstwy GaN osadzonej na podłożu 0E osiągnęła najniższą wartość w porównaniu do podłoży z inną dezorientacją. Dzięki przedstawionemu sposobowi przygotowania podłoża, bez optymalizacji warunkow trawienia tej orientacji, zdołano zmniejszyć wartość RMS z 1.90 nm (R a = 1.50 nm) do RMS = 0.06 nm (R a = 0.14 nm). Również odchylenie podłoży ma duży wpływ na epitaksję GaN. Warstwy GaN na podłożach z odchyleniem od kierunku (0001) charakteryzują się większą wartością chropowatości powierzchni niż warstwy osadzane na podłożach z 0º odchyleniem 10

7 P. Caban, K. Kościewicz, W. Strupiński,... od osi kryształu. W przypadku wzrostu na podłożach z odchyleniem na powierzchni warstwy epitaksjalnej pojawia się duża ilość defektów (nanodziurek) (Rys. 2a). Związane jest to z kształtem powierzchni warstwy zwilżającej AlN. W przypadku wzrostu na podłożach zorientowanych niejednorodność powierzchni osadzanego AlN wypełnia GaN i zapewnia przejście z trójwymiarowego do dwuwymiarowego modu wzrostu warstwy epitaksjalnej. Dzieje się tak również w przypadku podłoży z odchyleniem, jednak kosztem powstania nanodziurek na powierzchni warstwy epitaksjalnej. Na Rys. 3 przedstawiono symulację obrazu powierzchni AlN uzyskaną za pomocą mikroskopu sił atomowych. Rys. 2. Morfologia powierzchni GaN osadzonego na: a) 4H-SiC 8º - odchylenie (8E), b) 4H-SiC 0º - odchylenie (0E). Rozmiar skanu 5 μm x 5 μm. Fig. 2. Surface morphology of a GaN grown on: a) 4H-SiC 8º - off axis (8E), b) 4H-SiC 0º - off axis (0E). The scan size is 5μm x 5 μm. W przypadku wzrostu na podłożach z odchyleniem 0º (Fig. 2b), mamy do czynienia z dyslokacjami krawędziowymi, śrubowymi oraz mieszanymi (dla 0E-GaN gęstość dyslokacji wynosi (3-4) 10 8 cm -2 ) ale w porównaniu z warstwami GaN osadzonymi na podłożach z odchyleniem, to ciągle niewielka liczba (np. dla 8E-GaN gęstość dyslokacji wynosi (1-2) 10 9 cm -2 ). Wyniki pomiarów rentgenowskich zostały przedstawione w Tabeli 2. Poszerzenie σ symetrycznego refleksu 200 pochodzącego od warstwy epitaksjalnej GaN mierzone w kierunku prostopadłym do płaszczyzn odbijających zależy od wielkości bloków i od wartości naprężeń, w kierunku wzrostu systemu epitaksjalnego. Jest ono odwrotnie proporcjonalne do doskonałości krystalicznej systemu w tym kierunku. Natomiast poszerzenie σ tego refleksu mierzone w kierunku równoległym do płaszczyzn odbijających zależy jedynie od lateralnej jakości strukturalnej systemu epitaksjalnego i jest odwrotnie proporcjonalne do lateralnej doskonałości warstwy. 11

8 Wpływ trawienia podłoży 4H-SiC na epitaksję GaN Wyniki rentgenowskie pokazały poprawę struktury krystalograficznej azotku galu osadzanego na podłożach trawionych. Przygotowanie podłoża ma wpływ na mozaikowość struktury osadzonego GaN poprzez redukcję dezorientacji ziaren (pochylenie i obrót) względem siebie co można obserwować po zmianie wartości poszerzenia σ II. Rys. 3. Symulacja obrazu powierzchni warstwy zwilżającej AlN osadzonej na podłożu nietrawionym 4H-SiC z 8º odchyleniem otrzymana przez AFM (rozmiar skanu 7 μm x 7 μm) wraz z przekrojem. Fig. 3. Surface morphology (AFM) of a AlN wetting layer deposited on a 4H-SiC 8º - off axis. The scan size is 7 μm x 7 mm. (a) (b) Rys. 4. (a) Widmo random i aligned pomiaru RBS/channeling dla próbki 0 o - odchylenia 4H-SiC (0E trawiona, 0N nietrawiona); (b) widmo aligned (tylko pik Ga). Grubość próbki jest liniową funkcją energii jonów rozproszonych [11]. Fig. 4. (a) Random and aligned RBS/channeling spectra for 0 o off-cut 4H-SiC (0E etched, 0N not-etched); (b) aligned spectra (Ga peak only). Thickness of the epilayer is a linear function of energy [11]. 12

9 P. Caban, K. Kościewicz, W. Strupiński,... Tabela 2. Wyniki XRD FWHM (w arcsec) dla epitaksji AlN(warstwa zwilżająca)/gan na 4H-SiC typu N ze stopniem dezorientacji 0º, 4º, 8º oraz półizolującej 4H-SiC z odchyleniem 8º oznaczonej jako 8SI. Z powodu bardzo szerokiego piku pochodzącego od SiC nie można było zmierzyć σ oraz σ II dla warstw AlN osadzonych na podłożach z 8º odchyleniem. Table 2. XRD FWHM results (in arcsec) for AlN (wetting layer)/gan deposited on 4H-SiC N-type with the misorientation angle 0º, 4º, 8º and for semiinsulating 4H-SiC 8º off-axis marked as 8SI. Due to wide peak of the SiC substrates it was not able to get the value of σ and σ II for the AlN layers deposited on substrates with 8º off-cut. Odchylenie σ [arcsec] σ II [arcsec] podło- ża [deg] N-AlN E-AlN N-GaN E-GaN N-AlN E-AlN N-GaN E-GaN SI Jednak, ze względu na wpływ na parametry przyrządów, najważniejszy, jak się wydaje, jest stopień uporządkowania krystalograficznego w kierunku wzrostu warstwy epitaksjalnej GaN. Miarą tego uporządkowania, jak wcześniej wspomniano, jest poszerzenie σ. Najlepszy wynik uzyskano dla 0N-GaN (FWHM = 40 arcsec) oraz 8SIE-GaN (FWHM = 78 arcsec). Pomiary warstw AlN/GaN techniką RBS/channeling pokazały, że przygotowanie podłoży poprawia jakość krystaliczną osadzanych warstw epitaksjalnych. Jednak najważniejszy wynik uzyskano dla warstw osadzanych na podłożach trawionych, zorientowanych (0E). Na Rys. 4a. pokazano widmo RBS/channeling dla GaN osadzonego na podłożu nietrawionym 0N oraz trawionym 0E. Duży pik o energii w zakresie kev odpowiada rozpraszaniu przez atomy Ga natomiast ciągłe widmo przy niższych energiach powstaje przez rozpraszanie atomów podłoża. Szerokość piku pochodzącego od rozpraszania na atomach Ga określa grubość warstwy GaN. W przypadku próbek osadzanych na 0N i 0E grubość ta wynosi 1500 nm. Widmo mierzone na próbce o powierzchni próbki zorientowanej (Rys. 4b) prostopadle do wiązki jonów pokazało właściwą strukturę krystalograficzną badanych warstw. Im mniejsza wartość rozpraszania, tym mniejsza koncentracja defektów. Duża koncentracja defektów w pobliżu interfejsu SiC/AlN/GaN (w okolicach energii jonów rozproszonych 2200 kev) jest typowa dla wzrostu heteropitaksjalnego GaN, a w tym przypadku związane z warstwą zwilżającą AlN. Liczba zgromadzonych defektów, w tym obszarze, jest trzykrotnie niższa w przypadku wzrostu na podłożach SiC niż na podłożach szafirowych (Rys. 5). Według wyników RBS/channeling warstwa GaN jest zdeformowana od interfejsu aż do 400 nm od niego. Część warstwy znajdująca się powyżej jest dobrej jakości, 13

10 Wpływ trawienia podłoży 4H-SiC na epitaksję GaN jednak można zaobserwować pewne różnice. Przez współczynnik χ min można opisać stosunek jonów rozproszonych na próbce w pomiarze zorientowanym (aligned) oraz niezorientowanym (random) do powierzchni próbki. Dla bardzo dobrych warstw GaN χ min jest bliskie 1.5%. Dla GaN na podłożach nietrawionych χ min jest ponad 2% podczas gdy dla podłoży trawionych jest równe 1.5%, co jest bardzo dobrym wynikiem. Rys. 5. Widma random i aligned pomiaru RBS/channeling dla próbki GaN osadzanej na podłożu szafirowym. Fig. 5. Random and aligned RBS/channeling spectra for GaN epilayer deposited on a sapphire substrate. Z otrzymanych rezultatów (Rys.6) wynika również fakt, że liczba defektów gromadzących się na interfejsie podłoże/warstwa zwiększa się wraz ze stopniem odchylenia podłoża. Rys. 6. Widma aligned pomiaru RBS/channeling dla próbek 4H-SiC trawionych (E): 0º, 4º i 8º odchylenia. Fig. 6. Aligned RBS/channeling spectra for the etched (E) samples 4H-SiC: 0º, 4º i 8º. 14

11 P. Caban, K. Kościewicz, W. Strupiński,... PODSUMOWANIE Osadzono azotek galu na podłożach 4H-SiC o różnych dezorientacja 0º, 4º, 8º. Porównano również wpływ przygotowania podłoży do epitaksji. Pomiary chropowatości powierzchni osadzonego GaN pokazały, że właściwe trawienie podłoży przed wzrostem ma kluczowy wpływ na powierzchnię osadzonej warstwy. Najlepszy wynik RMS = 0.06 nm (R a = 0.14 nm) uzyskano dla warstwy GaN osadzonej na trawionym podłożu 4H-SiC zorientowanym w kierunku (0001), jest on trzykrotnie lepszy niż doniesienia literaturowe. Również wyniki pomiarów rentgenowskich pokazały, że najlepszą jakość struktury krystalicznej uzyskano dla warstw osadzonych na trawionych podłożach: 4H-SiC 0º - odchylenia. Wysoką jakość GaN na trawionych 4H-SiC z 0º - odchylenia, potwierdziły badania RBE/channeling. Wyniki przeprowadzonych pomiarów efektu Hall`a sugerują wysoką rezystywność otrzymanych warstw. BIBLIOGRAFIA [1] Xie Z. X., Wei C. H., Li L. Y., Edgar J. H., Chaudhuri J., Ignatiev C.: MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 4S1, G3.39, (1999) [2] di Forte Poisson, M.-A.; Magis, M.; Tordjman, M.; Aubry, R.; Sarazin, N.; Peschang, M.; Morvan, E.: LP-MOCVD growth of GaAlN/GaN heterostructures on silicon carbide: application to HEMT devices, J. Crystal Growth, 272, (2004), [3] Kawashima T., Nagai T., Iida D., Miura A., Okadome Y., Tsuchiya Y., Iwaya M., Kamiyama S., Amano H., Akasaki I.: Epitaxial lateral growth of m-plane GaN and Al0.18Ga0.82N on m-plane 4H-SiC and 6H-SiC substrates, J. Crystal Growth 298, (2007), [4] M.-A. Di Forte-Poisson, Romann A., Tordjman M., Magis M., J. Di Persio, Jacques Ch., Vicente P.: LP MOCVD growth of GaN on silicon carbide, J. Crystal Growth 248, (2003), [5] Rudzinski M., Jezierska E., Weyher J. L., Macht L., Hageman P. R., Borysiuk J., Rödle T. C., Jos H. F., Larsen P. K., Physica Status Solidi, 204, 12,, (2007), [6] Hallin C., Owman F., Martensson P., Ellison A., Konstantinov A., Kordina O., Janzen E.: In situ substrate preparation for high-quality SiC chemical vapour deposition, J. Crystal Growth, 181, (1997), [7] Strupinski W., Kosciewicz K., Weyher J., Olszyna A.: International Conference Silicon Carbide and Related Materials 2007 (ICSCRM2007) [8] Boeykens S., Leys M.R., Germain M., Belmans R., Borghs G.: Influence of AlGaN nucleation layers on structural and electrical properties of GaN on 4H-SiC, J. Crystal Growth., 272, (2004),

12 Wpływ trawienia podłoży 4H-SiC na epitaksję GaN [9] Moran B., Wu F., Romanov A.E., Mishra U.K., Denbaars S. P., Speck J. S.: Structural and morphological evolution of GaN grown by metalorganic chemical vapor deposition on SiC substrates using an AlN initial layer, J. Crystal Growth, 273, (2004), [10] Luger P.: Rentgenografia strukturalna monokryształów, PWN Warszawa 1989 [11] Tesmer J. R., Nastasi M. (red): Handbook of modern ion beam materials analysis, Materials Reasearch Society, Pittsburg, 1995, s. 46, rozdz SUMMARY THE INFLUENCE OF THE 4H-SIC SUBSTRATS ETCHING ON GAN EPITAXY The influence of surface preparation and off-cut of 4H-SiC substrates on morphological and structural properties of GaN grown by low pressure metalorganic vapour phase epitaxy was studied. Substrate etching has an impact on the surface roughness of epilayers and improves its crystal quality. The GaN layers were characterized by AFM, HRXRD, RBS/channelling and Hall effect measurements. It was observed that on-axis 4H-SiC is most suitable for GaN epitaxy and that substrate etching improves the surface morphology of epilayer. Key words: LP MOVPE, GaN, 4H-SiC 16

13 A. Kowalik, K. Góra, J. Podgórski,... PL ISSN MATERIAŁY ELEKTRONICZNE T NR 4 DYFRAKCYJNE ELEMENTY OPTYCZNE DO FORMOWANIA WIĄZEK ŚWIATŁA EMITOWANYCH PRZEZ DIODY LASEROWE Andrzej Kowalik 1, Krzysztof Góra 1, Jarosław Podgórski 1, Anna Rojek 1, Paweł Typa 1 Dzięki miniaturowym rozmiarom i niskiej cenie laserowe diody krawędziowe znajdują coraz szersze zastosowanie jako niezawodne źródła wiązki światła. Duża rozbieżność i asymetria tych wiązek powoduje jednak, że w przypadku większości aplikacji muszą być one wcześniej transformowane. Ze względu na skomplikowany front falowy stosowane w tym celu tradycyjne układy optyczne składają się z wielu elementów, co powoduje znaczny wzrost rozmiarów, ciężaru i ceny systemu. Tracone są w ten sposób podstawowe zalety związane z zastosowaniem półprzewodnikowych źródeł światła. Stąd za bardzo istotne uznać należy poszukiwanie rozwiązań, w których wszystkie funkcje związane z transformacją wiązki światła spełniać będzie pojedynczy element optyczny. W pracy wskazano na możliwość użycia w tym celu dyfrakcyjnych elementów optycznych o prostej, miniaturowej budowie. Jako przykład zaprezentowano element służący do formowania wiązki emitowanej przez jednowymiarową macierz diod laserowych. Główne zalety tego elementu to możliwość koncentracji dużych energii w małym przekroju wiązki oraz zwarta budowa, pozwalająca na zachowanie miniaturowych wymiarów źródła wiązki światła. Słowa kluczowe: dyfrakcyjny element optyczny, laserowa dioda krawędziowa 1. WSTĘP Istotną i stałą cechą rozwoju techniki w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat jest postępująca miniaturyzacja. W coraz większej liczbie aplikacji najbardziej pożąda- 1 Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, ul. Wólczyńska 133, Warszawa, akowalik@itme.edu.pl 17

14 18 Dyfrakcyjne elementy optyczne do formowania wiązek światła... nymi cechami urządzeń są ich miniaturowe wymiary pozwalające na konstruowanie lekkich i zwartych systemów spełniających coraz więcej funkcji, a jednocześnie materiało- i energooszczędnych. Rozwój w dziedzinie półprzewodnikowych źródeł światła sprawił, że trend ten w coraz większym stopniu obejmuje również urządzenia optyczne i optoelektroniczne sprawiając, że fotonika i mikrooptyka stały się w ostatnich latach jednymi z najszybciej rozwijających się dziedzin mikrotechnologii. Diody świecące (LED) i laserowe diody krawędziowe (LD) dzięki miniaturowym rozmiarom i niskiej cenie znajdują coraz powszechniejsze zastosowanie jako niezawodne źródła światła zarówno w produktach powszechnego użytku, jak i w rozwiązaniach z obszaru zaawansowanych technologii. Efektywna metoda formowania wiązek emitowanych przez laserowe diody krawędziowe pozostaje jednak nadal problemem otwartym. Generowany przez nie astygmatyczny front falowy wymaga w przypadku tradycyjnej optyki refrakcyjnej zastosowania układu składającego się z wielu elementów [1]. W najprostszych rozwiązaniach wykorzystywane są soczewki sferyczne, nie pozwala to jednak na nadanie wiązce symetrycznego przekroju i często związane jest ze znacznymi stratami energii wynikającymi z braku dopasowania wiązki o dużej asymetrii do układów o symetrii kołowej. Znacznie lepsze rezultaty osiągane są przez zastosowanie układów, w których skład wchodzą soczewki cylindryczne [2-3] lub pryzmaty anamorficzne [4-5]. Duże znaczenie praktyczne ma pierwsze z tych rozwiązań, stosowane przez wytwórców modułów laserowych, zwłaszcza w przypadku macierzy diod [6]. Zasadniczą wadą takich rozwiązań jest jednak znaczny wzrost rozmiarów, ciężaru i ceny systemu. Tracone są w ten sposób podstawowe zalety półprzewodnikowych źródeł światła, tj. wymieniane wcześniej miniaturowe wymiary i niska cena, a nawet niezawodność, ponieważ złożony układ optyczny będzie na ogół wymagał okresowego justowania, zwłaszcza w przypadku trudnych warunków pracy (np. zmiany temperatury, wstrząsy mechaniczne). Stąd za bardzo istotne uznać należy poszukiwanie rozwiązań, w których wszystkie funkcje związane z transformacją wiązki światła spełniać będzie pojedynczy element optyczny, w dodatku prosty, miniaturowy i tańszy niż dioda. Wymagania te najlepiej zdają się spełniać dyfrakcyjne elementy optyczne (DOE). Przewaga DOE nad elementami konwencjonalnymi (refrakcyjnymi lub odbiciowymi) wynika przede wszystkim ze względnej łatwości, z jaką w ich przypadku można wytworzyć funkcję fazową realizującą pożądane przekształcenie frontu falowego. Daje to o wiele bardziej realną szansę wytwarzania struktur właściwie transformujących światło diod laserowych niż w przypadku rozwiązań wskazujących na możliwość zastosowaniu pojedynczych elementów refrakcyjnych [7-8], ale których powierzchnie są tak złożone, że ich wykonanie przy obecnym stanie technologii byłoby jeżeli w ogóle możliwe to z pewnością wyjątkowo trudne. Istotna jest także planarna budowa DOE, pozwalająca na wytwarzanie lekkich i zwartych elementów spełniających wymogi związane z integracją struktur optycznych z elementami elektronicznymi i mikromechanicznymi. Co więcej, dzięki takiej budowie

15 A. Kowalik, K. Góra, J. Podgórski,... elementy dyfrakcyjne mogą być także dość łatwo replikowane, co zapewnić może ich tanią masową produkcję. 2. MODELE DYFRAKCYJNYCH KOLIMATORÓW WIĄZKI LASEROWEJ Model emisji światła przyjmowany powszechnie dla laserowej diody krawędziowej zakłada generację wiązki astygmatycznej (źródło w postaci szczeliny o długości l) o różnych kątach rozbieżności w osi prostopadłej (2θ p ) i równoległej (2θ r ) do złącza (Rys. 1) [9-12]. Kąt θ p jest zazwyczaj kilkukrotnie większy od kąta θ r, typowe wartości to odpowiednio: θ p = i θ r = Rozbieżna wiązka emitowana przez diodę będzie więc miała wydłużony eliptyczny przekrój, przy czym różnica długości osi elipsy będzie szybko rosła wraz z odległością od diody. Rys. 1. Model wiązki światła emitowanej przez diodę laserową. Fig. 1. Model of a light beam emitted by a laser diode. Korekcja astygmatyzmu frontu falowego możliwa jest przez zastosowanie soczewki eliptycznej [13-14]. O ile wykonanie takiego elementu w wersji refrakcyjnej jest trudne i w praktyce jest on zastępowany układem obejmującym soczewkę cylindryczną i sferyczną, to dzięki zastosowaniu planarnych metod litograficznych wytwarzanie soczewek eliptycznych w wersji dyfrakcyjnej stało się niewiele trudniejsze od wytwarzanie najprostszych elementów dyfrakcyjnych, to jest siatek dyfrakcyjnych. 19

16 Dyfrakcyjne elementy optyczne do formowania wiązek światła... Działanie eliptycznych soczewek dyfrakcyjnych sprawdzono eksperymentalnie wykonując fazowe płytki strefowe skupiające wiązkę równoległą w odcinek ogniskowy o zadanej długości l. Soczewki z binarnym profilem fazowym, dla których przyjęto l = 0.1 mm oraz apertury kątowe θ p = 15 0 i θ r = 5 0, wykonano w procesach elektronolitografii w warstwie elektronorezystu PMMA naniesionej na szklane podłoża. Obserwacje rozkładu natężenia wiązki w płaszczyźnie ogniskowej potwierdziły poprawne działanie elementu: fala płaska uginana jest przez płytkę w założony odcinek ogniskowy (Rys. 2). Taka soczewka - przyjmując odwrotny bieg promieni powinna więc zapewnić przekształcenie wiązki emitowanej przez diodę laserową Rys. 2. Binarna eliptyczna płytka strefowa: a) centralny fragment soczewki wykonanej w warstwie elektronorezystu PMMA, b) obraz ogniska zarejestrowany kamerą CCD, c) trójwymiarowa mapa rozkładu natężenia światła w płaszczyźnie ogniskowej. Fig. 2. Binary elliptical zone plate: a) central fragment of the lens fabricated in the PMMA e-beam resist, b) CCD image of the focal segment created by the lens, c) 3D map of the light intensity distribution in the focal plane. w wiązkę równoległą. W przypadku ogólnym skolimowana wiązka miałaby jednak nadal przekrój eliptyczny. Jedynie umieszczenie elementu w płaszczyźnie, w której wiązka ma ten sam wymiar w obu prostopadłych kierunkach, to jest w odległości z 1 od źródła określonej w przybliżeniu zależnością: z 1 = 0.5l/[tg(θ p ) - tg(θ r )] co zapewniałoby wiązce wyjściowej symetryczny, kołowy przekrój. Takie rozwiązanie oferowałoby bardzo korzystną, niewiele większą od l średnicę wiązki a: a = z. 1 tg(θ p ) = l. tg(θ p ) /[tg(θ p ) - tg(θ r )] 20

17 A. Kowalik, K. Góra, J. Podgórski,... ale dla poprawnego działania wymagałoby submikronowej precyzji umieszczenia elementu optycznego względem krawędzi emitującej. Wydaje się to pociągać za sobą konieczność scalenia struktury optycznej z diodą laserową, co gorsza poprzez wykonanie soczewki na przełomie płytki podłożowej. W celu uzyskania symetrycznego przekroju wiązki zaproponować można także inne rozwiązanie, znacznie bliższe możliwościom technologicznym, polegające na zastosowaniu elementu dyfrakcyjnego o funkcji optycznej rozdzielonej pomiędzy dwa uzupełniające się profile dyfrakcyjne, wykonane na przeciwległych powierzchniach płaskorównoległego podłoża. Zadanie pierwszego profilu polega na takim ugięciu wiązki, by ta docierając do drugiej powierzchni miała ten sam przekrój w obu osiach (np. poprzez zmniejszenie rozbieżności wiązki w płaszczyźnie prostopadłej i zwiększenie w płaszczyźnie równoległej do złącza), a zadanie profilu drugiego - na wytworzeniu płaskiego frontu falowego. Ideę takiej integracji dwóch uzupełniających się profili autorzy przedstawili w pracy [15] rozważając strukturę, której pierwsza powierzchnia dyfrakcyjna wykonana jako cylindryczna płytka fazowa (CZP) doprowadza do częściowej kolimacji wiązki w kierunku prostopadłym do złącza, a druga dokonuje ostatecznej kolimacji w obu osiach za pomocą elementu sferycznego (SZP) (Rys. 3). Rys. 3. Kolimacja wiązki diody laserowej za pomocą elementu o dwóch powierzchniach fazowych: CZP - cylindryczna płytka strefowa, SZP sferyczna płytka strefowa. Fig. 3. Double-sided diffractive element for collimation of a laser diode beam: CZP - cylindrical zone plate, SZP - spherical zone plate. Działanie elementów o dwóch powierzchniach z profilami fazowymi (2SDOE) sprawdzone zostało doświadczalnie dla struktury dyfrakcyjnej obejmującej kinoformy odpowiadające soczewkom sferycznym [16]. Stwierdzono korzystne właściwości ogniskujące takich elementów: ogniska miały dwukrotnie mniejszą średnicę i w kon- 21

18 Dyfrakcyjne elementy optyczne do formowania wiązek światła... sekwencji ponad 3.5-krotnie większe maksymalne natężenie światła w płaszczyźnie ogniskowej niż w przypadku analogicznych struktur z tym samym wymiarem krytycznym i jedną powierzchnią dyfrakcyjną. Ponieważ rozdzielenie funkcji optycznej pozwala nawet dwukrotnie zmniejszyć częstotliwość przestrzenną każdego z profili, zastosowanie podobnych elementów do kolimacji wiązek emitowanych przez lasery krawędziowe zapewnić powinno nie tylko uzyskanie wiązki o pożądanym symetrycznym przekroju, ale również możliwość wykonywania elementów o większych aperturach numerycznych, co jest szczególnie istotne ze względu na duże rozbieżności wiązki w płaszczyźnie prostopadłej do złącza. Wytworzenie struktur 2SDOE wymaga jednak użycia dwukrotnie większej liczby procesów technologicznych oraz dwustronnego centrowania wzorów. Przedstawiony powyżej model emisji światła, właściwy dla wiązek emitowanych przez diody laserowe o małej mocy, dla których długość emitera l nie przekracza zazwyczaj kilku mikrometrów, nie może być przyjmowany jako całkowicie poprawny dla diod dużej mocy. Wysoka moc takich diod osiągana jest m.in. poprzez znaczne zwiększenie poprzecznego wymiaru warstwy aktywnej (zazwyczaj l > 50 μm), co powoduje, że na krawędzi emitującej pojawia się kilka źródeł promieniowania i to zmieniających swoje położenie oraz intensywność w zależności od warunków pracy diody. Pełna kolimacja takiej wiązki możliwa jest tylko w osi prostopadłej do złącza. W płaszczyźnie równoległej transformowana wiązka po przejściu przez układ optyczny zawsze będzie miała pewną rozbieżność δ, wynikającą z odległości skrajnych źródeł na krawędzi emitującej oraz ogniskowej układu f w tej płaszczyźnie: δ l/f. W przypadku diod dużych mocy wymagana jest jednak na ogół nie tyle dokładna kolimacja, ile uzyskanie w zadanej odległości od źródła wiązki o jak największym natężeniu, to jest maksymalnie zogniskowanej. Zazwyczaj również dla osiągnięcia wysokiej mocy stosowane są nie pojedyncze diody, lecz ich macierze obejmujące od kilku do kilkudziesięciu diod (najczęściej w postaci tzw. linijek laserowych). Najważniejszą funkcją elementu optycznego staje się wtedy skierowanie wiązek emitowanych przez poszczególne diody do tego samego ogniska. Proponowane przez nas rozwiązanie spełniające powyższe wymagania opiera się na wykorzystaniu macierzy dyfrakcyjnych soczewek eliptycznych wykonanych na wspólnym podłożu jako przylegające do siebie fazowe płytki strefowe o prostokątnych aperturach. Zasada działania takiego koncentratora przedstawiona jest na Rys

19 A. Kowalik, K. Góra, J. Podgórski,... Rys. 4. Schemat formowania wiązki emitowanej przez jednowymiarową matrycę diod laserowych za pomocą układu soczewek dyfrakcyjnych. Fig. 4. The basic scheme of the diffractive concentrator for laser diode beams shaping. Każdej diodzie odpowiada soczewka eliptyczna o osi optycznej przesuniętej w stosunku do emitera tak, by kierować wiązkę do tego samego punktu leżącego na osi układu w zadanej odległości z 2. Jednocześnie każda z soczewek formuje w tej odległości wiązkę o takim samym przekroju. Niezależnie od liczby emiterów przekrój wiązki uzyskiwany dla całego układu jest więc identyczny z przekrojem wiązki uzyskiwanym dla pojedynczej diody. Odległość z 1 oraz wymiary apertur soczewek w x, w y podyktowane są odległością d pomiędzy diodami (modułem macierzy diod) oraz rozbieżnością wiązki w obu osiach i wynoszą: z 1 = d/tg(θ r ), w x = d, w y = 2z 1 tg(θ p ). Minimalny przekrój wiązki a y w płaszczyźnie prostopadłej do emiterów wynika jedynie z ograniczeń dyfrakcyjnych: a y = 2. λ/sin(θ p ), a w płaszczyźnie równoległej ze względu na nieuniknioną rozbieżność wynosi: a x = 2. z 2. l. tg(θ r )/(d-l). Oczywiście dobierając odpowiednio ogniskowe w obu płaszczyznach można nadać wiązce kształt symetryczny (kwadrat o boku równym lub większym od a x ). 23

20 Dyfrakcyjne elementy optyczne do formowania wiązek światła TECHNOLOGIA WYTWARZANIA FAZOWYCH ELEMENTÓW DYFRAKCYJNYCH 3.1. Ograniczenia technologiczne i dyfrakcyjne Kluczowe znaczenie dla zastosowania DOE do kształtowania wiązek światła emitowanych przez diody laserowe ma możliwość uzyskania elementów o wysokiej wydajności dyfrakcyjnej i dużych aperturach numerycznych NA, pozwalających efektywnie kolimować wiązki o dużej rozbieżności. Z technologicznego punktu widzenia oznacza to konieczność wytwarzania struktur o submikronowych, gęsto upakowanych elementach i wielopoziomowym profilu fazowym, którego wymiary muszą być kontrolowane z dokładnością nawet kilku nanometrów. Wynika to z podstawowych zależności wiążących wydajność dyfrakcyjną η oraz wysokość h i minimalny wymiar porzeczny stopni fazowych w min z liczbą poziomów fazowych L i aperturą numeryczną NA elementu: 2 sin( π / L) η = π / L λ λ h = w L Δ min = (1/ L) n NA gdzie: λ - długość fali światła, Δn różnica współczynników załamania materiału elementu i otaczającego go ośrodka, L 2. Wyższą wydajność uzyska się przyjmując większą liczbę poziomów fazowych dla L = 32 będzie ona równa niemal 100% (η 32L = 99.7%). Jednocześnie jednak nawet dla laserów o małych kątach rozbieżności wiązki oraz emitujących fale z zakresu podczerwieni (przyjmując np. 2Θ P = 40 0 i λ = 808 nm) wysokość stopni fazowych takiej struktury wykonywanej na podłożu kwarcowym (n = 1.54) musiałaby wynosić poniżej 50 nm, a ich minimalna szerokość 75 nm. Mając na względzie tak wysokie wymagania wymiarowe warto zwrócić uwagę na efektywność zwiększania liczby poziomów fazowych. Przechodząc od 2 do 4 i od 4 do 8 poziomów osiągamy znaczny wzrost wydajności najpierw dwukrotny, a następnie o prawie 20%. Dalsze podwajanie liczby poziomów może już tylko w niewielkim stopniu zwiększyć sprawność elementu o ~ 4% przy przejściu od 8 do 16 i o 1% przy przejściu od 16 do 32 poziomów. Jednocześnie każdemu podwojeniu liczby poziomów towarzyszy dwukrotne zwiększenie wymagań wymiarowych, nawet jeśli możliwych do spełnienia, to z pewnością zwiększających wielokrotnie koszty wykonania struktur i co gorsza, niekoniecznie gwarantujących ich lepszą jakość (nawet bardzo małe błędy bezwzględne, rzędu kilku nanometrów, powodować będą znaczne błędy względne). Stąd za optymalne uznać można dążenie do wytwarzania o ile pozwalają na to możliwości technologiczne struktur z ośmioma poziomami fazowymi o teoretycznej wydajności dyfrakcyjnej równej 95%. 24

21 A. Kowalik, K. Góra, J. Podgórski,... Istotne ograniczenia wynikają także ze ścisłej teorii dyfrakcyjnej. Podane powyżej trzy zależności mogą być przyjmowane jako dokładne tylko dla elementów spełniających warunki skalarnej teorii dyfrakcyjnej, to jest elementów, dla których okres struktury Λ jest wielokrotnie większy zarówno od długości fali światła λ, jak i od wysokości reliefu H (H = λ/δn). Tylko wtedy można przyjąć z dobrym przybliżeniem, że skokowa zmiana profilu nie wprowadza, oprócz przesunięcia fazy o 2π, żadnych zaburzeń pola optycznego. W rzeczywistości nieciągłość na granicy stref powoduje modulację amplitudy i fazy. Związane z tym efekty będą pomijalne w odległościach znacznie większych od λ, lecz stają się istotne dla stref o szerokości Λ < 5λ, powodując w przypadku struktur o wielu poziomach wyraźny spadek wydajności dyfrakcyjnej nawet poniżej wydajności struktur o dwóch poziomach fazowych [17]. Wydajność tych ostatnich ulega zresztą tylko niewielkim fluktuacjom i dla stref powyżej 2λ może być przyjmowana za niezmienną i równą wydajności określonej skalarnie. Z punktu widzenia projektowania DOE wynika z tego ważny wniosek: przy zmniejszającym się okresie struktury zastosowanie mniejszej liczby poziomów fazowych oznaczać może nie tylko łatwiejszą technologię wytwarzania, lecz także wyższą wydajność dyfrakcyjną. Teoretycznie wymienionym powyżej ograniczeniom przeciwdziałać można poprzez zwiększenie rozmiaru stref wynikające z zastąpienia profilu o skoku fazy 2π profilem odpowiadającymi zmianie fazy o k. 2π (Λ (k2ϖ) = kλ (2ϖ) ) [18]. Jednak w przypadku kinoformów o skokowej, a nie ciągłej zmianie fazy (kinoformów schodkowych) takie rozwiązanie zamiast ułatwiać, komplikuje wykonanie struktury ponieważ wydajność dyfrakcyjna zależy od liczby poziomów przypadających na zmianę fazy o 2π, to k-krotne zwiększenie wysokości profilu powoduje, że liczba stopni wzrosnąć powinna również k-krotnie (L (k2π) = k x L (2π) ) [19]. W rezultacie szerokość i wysokość stopni pozostaje taka sama jak dla stref 2π, a do otrzymania profilu zastosowana musi być większa liczba procesów, do tego wykonywanych w trudniejszych warunkach, ponieważ głębokość reliefu jest większa. Ze względów technologicznych należy więc przyjąć, że dla kinoformów schodkowych wysokość profilu fazowego nie powinna przekraczać 2π. Proponowane poniżej rozwiązanie spełnia ten warunek i jednocześnie pozwala na wytwarzanie elementów o wymiarze minimalnym odpowiadającym strukturze o dwóch poziomach fazowych, a o wydajności dyfrakcyjnej wyższej niż osiągana dla takich profili Elementy dyfrakcyjne o zmiennej liczbie poziomów fazowych Istota rozwiązania polega na zastąpieniu profilu o stałej liczbie poziomów profilem o zmiennej liczbie stopni fazowych, zależnej od lokalnego okresu struktury (x,y) i dobranej tak, by ich szerokość nie była mniejsza niż wymiar krytyczny cd, a więc by zachowany był warunek: 25

22 Dyfrakcyjne elementy optyczne do formowania wiązek światła... Λ( xy, ) cd L i gdzie: L i lokalna liczba poziomów fazowych, L i = 2 i, i=1,2...n. Przez wymiar krytyczny rozumie się przy tym minimalny wymiar struktury, dla którego biorąc po uwagę zarówno ograniczenia technologiczne, jak i dyfrakcyjne wydajność profilu odbiega w niewielkim stopniu od wyznaczonej zgodnie z teorią skalarną. Schemat profilu o zmiennej liczbie poziomów fazowych (ZLP) pokazano na Rys. 5. Zwraca uwagę fakt, że ze względu na przesunięcia fazowe pomiędzy poszczególnymi obszarami profil taki wymaga wykonania dodatkowego procesu wprowadzającego zmianę fazy o ϖ/l n (w przypadku pokazanym na rysunku o ϖ/8). Rys. 5. Schemat profilu dyfrakcyjnego o zmiennej liczbie poziomów fazowych: cd wymiar krytyczny struktury, 2L 8L liczba poziomów fazowych. Fig. 5. Diffractive profile with variable number of the phase steps: cd critical dimension, 2L 8L number of the phase level. Teoretyczną wydajność dyfrakcyjną η takich profili w zależności od ich apertury numerycznej NA przedstawiono na Rys. 6 na przykładzie soczewek sferycznej i cylindrycznej (wydajność soczewek eliptycznych będzie miała wartości pośrednie w zależności od stosunku długości osi). Rozważono profile o maksymalnie ośmiu poziomach. Taką liczbę stopni fazowych soczewki miałyby w części środkowej, a w miarę powiększania NA ich liczba zmniejszałaby się najpierw do czterech, a następnie dwóch. Zmiany wydajności wyznaczano na podstawie stosunku powierzchni zajmowanych przez poszczególne profile. Abstrahując od możliwości technologicznych przyjęto przy tym, że wymiar krytyczny równy jest długości fali światła dla jakiego projektowane są soczewki, uwzględniając w ten sposób warunek zachowania wydajności dyfrakcyjnej na poziomie określonym teorią skalarną. 26

23 A. Kowalik, K. Góra, J. Podgórski,... Rys. 6. Wydajność dyfrakcyjna soczewek o zmiennej liczbie stopni fazowych. Fig. 6. Diffraction efficiency of zone plates with variable number of the phase steps. Jak wynika z wykresu w całym zakresie apertur numerycznych powyżej (granica pomiędzy profilem 8- i 4-poziomowym) wydajność soczewek ZLP jest wyższa niż ich odpowiedników ze stałą liczbą poziomów fazowych (poziome linie η 4L =0.81 i η 2L = 0.405). W przypadku granicznym wynikającym z przyjętego wymiaru krytycznego, to jest dla NA = 0.5, wydajność soczewki sferycznej pozostaje nadal o ponad 20%, a cylindrycznej nawet o ponad 50% wyższa niż możliwa do uzyskania przy zastosowaniu profili standardowych. Jeżeli weźmie się pod uwagę, że najmniejszy wymiar stopni elementów ZLP jest taki sam jak dla struktury o dwóch poziomach fazowych (a więc czterokrotnie większy niż dla elementów o 8 poziomach), oraz że w czasie wytwarzania struktury unika się krytycznego centrowania najwęższych zewnętrznych stref [20], to zarówno z punktu widzenia wydajności dyfrakcyjnej, jak i wymagań technologicznych rozwiązanie takie uznać można za bardzo korzystne Binarna metoda elektronolitograficzna Najbardziej zaawansowaną metodą generacji wzorów mikrostruktur jest w chwili obecnej elektronolitografia. W procesach wytwarzania DOE jest ona wykorzystywana w dwojaki sposób: bądź do bezpośredniej rejestracji fazowego lub amplitudowego profilu struktury poprzez zróżnicowanie dawek ekspozycji (tzw. metody analogowe) [21-22], bądź do wykonywania kompletów fotomasek, z których podobnie jak w przypadku układów półprzewodnikowych kopiowane są kolejne poziomy fazowe struktury (metody binarne) [23-24]. Obie metody, analogowa i binarna, mają jednak 27

24 Dyfrakcyjne elementy optyczne do formowania wiązek światła... istotne wady nie pozwalające na pełne wykorzystanie rozdzielczości oferowanej przez elektronolitografię. W przypadku metody analogowej dotyczą one przede wszystkim ograniczonej kontroli profilu fazowego, w przypadku metody binarnej ograniczonej dokładności wzorów wskutek nieuniknionych błędów centrowania i mniejszej rozdzielczości metod optycznych, a ich skutkiem jest ograniczenie bądź częstotliwości przestrzennej, bądź wydajności dyfrakcyjnej elementu [20]. Wady te eliminuje w istotnym stopniu binarna metoda elektronolitograficzna, którą szerzej omówiono w pracy [20]. Jej istota polega na wykorzystaniu wiązki elektronów zarówno do generacji wzorów, jak i ich wzajemnego centrowania w kolejnych procesach litograficznych. Naświetlony i wywołany wzór stanowi w każdym procesie maskę do formowania profilu fazowego w procesach reaktywnego trawienia jonowego. Metoda taka stwarza najkorzystniejsze warunki kontrolowania wymiarów poprzecznych (bezpośrednia generacja wzoru wiązką elektronów), wysokości profilu fazowego (głębokość trawienia niezależna od grubości warstwy maskującej), jak i zapewnia największą dokładność centrowania kolejnych poziomów technologicznych, niemożliwą do osiągnięcia innymi metodami, a mającą zasadniczy wpływ na jakość i wydajność profili dyfrakcyjnych [20, 25-26]. 28 Rys. 7. Schemat procesu wytwarzania soczewki dyfrakcyjnej o ośmiu poziomach fazowych. Fig. 7. Fabrication scheme of an 8-phase level diffractive lens.

25 A. Kowalik, K. Góra, J. Podgórski,... Zastosowanie zasady, w myśl której głębokość trawienia podwajana jest w każdym kroku technologicznym, pozwala na uzyskanie w n etapach struktury o L = 2 n poziomach. Schemat metody na przykładzie wytwarzania soczewki o 8 poziomach fazowych w 3 kolejnych procesach trawienia przedstawiono na Rys EKSPERYMENT Zaproponowane rozwiązania sprawdzono eksperymentalnie wykonując element dyfrakcyjny, którego zadaniem było formowanie wiązki emitowanej przez macierz diod laserowych dużej mocy. Projekt przygotowano uwzględniając jednowymiarowe macierze (tzw. linijki diod) wytwarzane w ITME, obejmujące osiem laserów krawędziowych o mocy 2 W, długości fali światła λ = 808 nm, module d = 0.5 mm i długości krawędzi emitującej l = 0.1 mm. Założono uzyskanie wiązki o kwadratowym przekroju 2 x 2 mm 2 w odległości ~ 50 mm od źródła przyjmując apertury kątowe θ p = 23 0 i θ r = 5 0 zapewniające wykorzystanie ponad 90% promieniowania emitowanego przez linijkę. Zgodnie z modelem koncentratora przedstawionym w pkt. 2 konsekwencją tych założeń jest element dyfrakcyjny składający się z 8 eliptycznych strefowych płytek fazowych o aperturach w x = 0.5 mm, w y = 1.94 mm, ogniskowych f x = mm i f y = mm oraz odległościach z 1 = mm i z 2 = mm. Fragment struktury pokazano na Rys. 8. Rys. 8. Zewnętrzny fragment elementu dyfrakcyjnego obejmującego 8 soczewek eliptycznych. Fig. 8. Outer fragment of the 8-element elliptical lens array. 29

26 Dyfrakcyjne elementy optyczne do formowania wiązek światła... W projektach soczewek przyjęto profil dyfrakcyjny o zmiennej liczbie stopni fazowych, obejmujący 2 i 4 poziomy fazowe z wymiarem krytycznym 0.8 μm, o teoretycznej wydajności dyfrakcyjnej 65%. Struktury wykonano na monokrystalicznych podłożach kwarcowych (płytki o średnicy 50 mm i grubości 0.8 mm) posługując się binarną metodą elektronolitograficzną. Do naświetlania wzorów w warstwie elektronorezystu (PMMA-350k) użyto elektronolitografu ZBA-20 Carl-Zeiss-Jena (obecnie VISTEC), a do formowania profilu fazowego w podłożu kwarcowym zastosowano procesy reaktywnego trawienia jonowego we fluorometanie z dodatkiem tlenu (CF 4 +4%O 2 ) prowadzone w reaktorze planarnym RDE300 Alcatel. Uzyskano struktury o wydajności dyfrakcyjnej wynoszącej 61%, a więc w niewielkim stopniu odbiegającej od założonej, co świadczy o poprawnym wykonaniu profilu fazowego. Po rozcięciu podłoża na pojedyncze elementy (na płytce wykonywano jednocześnie 12 koncentratorów) wytworzone układy optyczne zmontowano z linijkami diod laserowych w standardowych obudowach TO3 (Rys. 9). Do obserwacji i pomiarów rozkładu natężenia wiązki użyto kamery cyfrowej LaserCamIII z oprogramowaniem BeamViemAnalizer firmy Coherent. Stwierdzono poprawne działanie systemu soczewek dyfrakcyjnych transformujących światło emitowane przez diody. Rys. 9. Macierz diod laserowych w standardowej obudowie TO3 z elementem dyfrakcyjnym formującym wiązkę. Fig. 9. Laser diode bar in a standard package TO3 equipped with the diffractive beam concentrator. W zadanej odległości uzyskano wiązkę o niemal kwadratowym przekroju 2 x 2 mm 2 (Rys. 10). Stromy przebieg rozkładu natężenia w osi równoległej do krawędzi emitujących (brak rozmycia wiązki) wskazuje na wysoką precyzję układu soczewek 30