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 2015 1
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
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 -2 80 kev 1x10 12 cm -2 Z przerwą (*) B 160 kev 2x10 12 cm -2 80 kev 2x10 12 cm -2 Z przerwą (*) C 160 kev 1x10 12 cm -2 80 kev 1x10 12 cm -2 jedna implantacja po drugiej D 160 kev 2x10 12 cm -2 80 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
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 1x10 12 160 1x10 12 70 1x10 12 B 260 1x10 12 160 1x10 12 80 1x10 12 C 260 1x10 12 170 1x10 12 80 1x10 12 D 270 1x10 12 180 1x10 12 80 1x10 12 uwagi UWAGI: Pomimo obiecujących wyników symulacji numerycznych struktury miały zbyt duże przewodnictwo ciemne. 4
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 1x10 12 240 1x10 12 160 1x10 12 80 1x10 12 4C 270 1,5x10 12 240 1,5x10 12 160 1,5x10 12 80 1,5x10 12 4D 270 2x10 12 240 2x10 12 160 2x10 12 80 2x10 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
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 1x10 12 220 1x10 12 160 1x10 12 80 1x10 12 5C 250 1,5x10 12 220 1,5x10 12 160 1,5x10 12 80 1,5x10 12 5D 250 2x10 12 220 2x10 12 160 2x10 12 80 2x10 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
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 1 006 nm Bufor i przykrycie GaAs 20 nm Razem 1 559 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 1x10 12 220 1x10 12 140 1x10 12 80 1x10 12 11B 240 1x10 12 220 1x10 12 140 1x10 12 80 1x10 12 jak A 11C 240 2x10 12 220 2x10 12 140 2x10 12 80 2x10 12 11D 240 2x10 12 220 2x10 12 140 2x10 12 80 2x10 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
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) = 1 040 nm i 1 dodatkowa bariera z Al 0.3 Ga 0.7 As 856 nm Bufor i przykrycie GaAs 20 nm Razem 1 916 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 1x10 12 200 1x10 12 120 1x10 12 60 1x10 12 12B 260 1x10 12 200 1x10 12 120 1x10 12 60 1x10 12 jak A 12C 260 2x10 12 200 2x10 12 120 2x10 12 60 2x10 12 12D 260 2x10 12 200 2x10 12 120 2x10 12 60 2x10 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
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
Rys. 8b Projekt układu elektrod na całej płytce 11