Плазмовий резонанс в багатошарових дифракцiйних гратках на основi монокристалiв GaAs та InP - Автореферат

Селективність, чутливість і керування роботою пристроїв поляритонної оптоелектроніки залежить від ефективності цього збудження, яке може бути оптимізоване вибором відповідного металевого покриття та оптимальних геометричних параметрів ДГ. Завжди, коли йдеться про плазмовий резонанс в провідних середовищах, звертається особлива увага на високу чутливість цього явища навіть до незначних змін параметрів поверхні, приповерхневого шару та меж поділу (інтерфейсів), що можна ефективно використати для виявлення структури тонкоплівкових діелектричних та металевих покриттів на початкових стадіях їхнього виготовлення, визначити їхні ефективні оптичні параметри, дослідити вплив різних факторів на стан та властивості тонких плівок та багатошарових структур, що є однією з основних задач фізики твердого тіла. Однак залишаються маловивченими особливості збудження плазмового резонансу (ПР) в реальних багатошарових ДГ, фізичні і оптичні властивості яких визначаються не тільки діелектричними константами металу та періодом і глибиною модуляції ДГ, але й мікроструктурою кожної плівки такої багатошарової структури, наявністю допоміжних плівок - діелектричної фази, адгезією металевого покриття до підкладинки, морфологією поверхні дифракційної гратки та властивостями інтерфейсів. Важливо зясувати, який вплив має кожен з цих факторів на умови збудження та поширення поверхневих плазмових поляритонів (ППП) у багатошарових структурах, створених на основі дифракційних граток на поверхні монокристалів GAAS та INP. Були застосовані такі методи дослідження як: спектральна та багатокутова еліпсометрія, спектроскопія відбивання та пропускання світла, вимірювання спектральних та кутових характеристик фотоструму короткого замикання барєрів Шоткі (в тому числі і в режимі збудження плазмового резонансу) для визначення оптичних характеристик тонких металевих плівок та особливостей взаємодії світла з профільованою поверхнею; АСМ і профілометрія для характеризації мікрорельєфу поверхні.Встановлено, що в рамках традиційної статистичної моделі, в якій АКФ описується функцією типу G(X)=d2exp[-(X/s)2c] (тут d= - середньо-квадратична висота поверхневого мікрорельєфу, s - автокореляційна довжина, c - експоненційний параметр, який визначає характер морфології поверхні), можна досить добре охарактеризувати тільки випадкові ізотропні (дендрити) та квазіперіодичні (квазігратки) мікрорельєфи (Таблиця 1). збільшення товщини металевого покриття також змінює резонансні властивості багатошарових ДГ: у випадку, коли глибина модуляції ДГ менша за оптимальну, вони покращуються (амплітуда резонансного екстремуму збільшується); однак, коли глибина модуляції ДГ більша за оптимальну - погіршуються (амплітуда резонансного екстремуму зменшується), тому для досягнення оптимальних умов збудження ПР глибину модуляції ДГ необхідно відповідно зменшити (рис.1а); Було розраховано також величину оптимальних товщин металевих плівок (Ag, Al, Au) в структурі повітря-металеве покриття-напівпровідник (GAAS) з синусоїдальною ДГ на межах поділу для різних спектральних діапазонів та відповідні цим товщинам оптимальні глибини модуляції ДГ (для Au-плазмон-несучої плівки), при яких спостерігається найбільш ефективне перетворення падаючого р-поляризованого світла в хвилю ППП та максимальна локалізація її біля поверхні напівпровідника. Аналіз отриманих експериментальних даних із застосуванням теорії ефективного середовища Бругемана показав, що оптичні властивості тонких напівпрозорих золотих плівок товщиною 40 - 45 нм, напилених при різних температурах у вакуумі (10-4 Па) на плоскі кварцові та GAAS підкладинки, можуть бути описані сукупністю трьох шарів: середнього шару - Au-плівки з параметрами n і k обємного матеріалу та двох (верхнього і нижнього) шарів, утворених сумішшю золота та пустот. Проведені дослідження показали, що при напиленні на поверхню Ag-плазмон-несучого покриття тонких напівпрозорих плівок Au фоточутливість структур не тільки не зменшується (збільшення товщини металевих плівок приводить до зменшення кількості фотонів, які досягають межі поділу метал-напівпровідник), а при товщині Au-плівки 10 нм навіть суттєво збільшується, спостерігається також швидша зміна з часом (деградація) параметрів резонансного екстремуму (збільшення його ширини та зменшення амплітуди).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Венгер Є.Ф., Дмитрук М.Л., Яструбчак O.Б. Дифракційні гратки на поверхні напівпровідників та їх застосування в поляритонній оптоелектроніці // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника - 1997. - №32. - С. 116-138.

2. Dmitruk N.L., Borkovskaya O.Yu., Mayeva O.I., Mamikin S.V., Yastrubchak O.B. Corrugation and passivation influence on Au-GAAS(INP) Shottky barrier characteristics // Functional Materials - 1998. - Vol.1. - P. 92-95.

3. Дмитрук Н.Л., Маева О.И., Мамыкин С.В., Яструбчак O.Б. Влияние сульфидирования диодов Шоттки Au-GAAS с профилированной границей разделана поляритонный пик фотоответа // Письма в ЖТФ - 1997. - Т.23, №9. - С. 52-57.

4. Дмитрук Н.Л., Маева О.И., Мамыкин С.В., Фурсенко О.В., Яструбчак O.Б. Влияние коррозии металлического электрода на поляризационную чувствительность фотодетектора на основе барьера Шоттки Ag-GAAS(INP) с профилированной границей раздела // Письма в ЖТФ - 1998.- Т.24, №8. - С 76-82.

5. Dmitruk N.L., Mayeva O.I., Yastrubchak O.B., Beketov G.V. Deterministic periodical and quasiperiodical surfaces of III-V compounds: preparation, investigations and applications // Acta Physica Polonica A. - 1998. - V.94, №2. - P. 285-290.

6. Auleytner J., Barlas T., Dmitruk I., Dmitruk N., Yastrubchak O., Zymierska D. Comprehensive investigation of geometric disorder of GAAS surfaces by complementary methods // Український Фізичний Журнал - 2000. - Т.45, №2. - C. 230-235.

7. Dmitruk N.L., Borkovskaya O.Yu., Mamontova I.B., Mayeva O.I., Yastrubchak O.B. Ultraviolet responsivity control in Schottky barrier heterostructures with textured interface // Thin Solid Films - 2000. - Vol.364. - P. 280-283.

8. Dmitruk N., Mayeva O., Mamikin S., Romanenko P., Yastrubchak O. Photosensitive control of detectors based on surface plasmon-polariton resonance and Schottky structures // Proceedings 21-st International Conference on Microelectronics (MIEL’97). - Niљ (Yugoslavia). - 1997. - V.1. - P.309-314.

9. Dmitruk N.L., Mayeva O.I., Mamykin S.V., Fursenko O.V., Yastrubchak O.B. Influence of multilayer coating peculiarities on efficiency of surface plasmon resonance photodetector // Proceedings of 21-th Edition International semiconductor conference (CAS’97). - Sinaia (Romania). - 1998. - V.2. - P.531-534.

10. Dmitruk N.L., Mayeva O.I., Yastrubchak O.B., Mamykin S.V., Klopfleish M. Characterization and application of multilayer diffraction gratings as optochemical sensors // Sensors and Actuators A. - 2001. - V.88, №1. - P.52-57.

11. Dmitruk N.L., Mayeva O.I., Mamykin S.V., Yastrubchak O.B. On a control of photon-surface plasmon coupling at a multilayer diffraction grating // Proceedings of the Third Interational EUROCONFERENCE on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems „ASDAM’2000” - Smolenice (Slovakia). - 2000. - P.445-448.

12. Dmitruk N.L., Klopfleisch M., Mayeva O.I., Mamykin S.V., Venger E.F., Yastrubchak O.B. Multilayer diffraction gratings Al/GAAS as polaritonic photodetectors // Phys. Stat. Sol. - 2001. - Vol. 184, №1. - P. 165-174.