膜光子晶體器件的無損表征

S neox 可提供最多 4 種不同光源（紅光、綠光、藍(lán)光和白光），這對本研究中尤其重要

該研究是基于嵌入在光子晶體光腔中、導(dǎo)致發(fā)射增強(qiáng)（賽爾效應(yīng)）的量子點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)（圖 1a），或者基于嵌入在波導(dǎo)中、用于生產(chǎn)光子多路復(fù)用器件的量子點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)（圖 1b）。典型器件是由多層砷化鎵/Al0.7Ga0.3As/砷化鎵外延生長的堆棧制造而成的，其中頂層 250 nm 厚的砷化鎵層包含器件的有源部分，1 µm 厚 的 Al0.7Ga0.3As 為犧牲層，最終會(huì)被蝕刻掉，以產(chǎn)生浮膜器件（圖 1c）。

膜在特定位置包含一個(gè)或幾個(gè) 20 nm 的 In0.3Ga0.7As 量子點(diǎn)，以及與量子點(diǎn)精確對準(zhǔn)的蝕刻光子晶體結(jié)構(gòu)（100 nm 孔的大陣列，特定配置會(huì)缺少幾個(gè)孔）。這些器件在不同處理步驟中要求 1-20 nm 精度，因此它們都涉及高性能電子束蝕刻和等離子 (ICP) 蝕刻。關(guān)鍵的最后一步是膜的釋放，包括對犧牲層的濕蝕刻。由于在此階段無法查看樣品的橫截面，因此頂視圖光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡 (SEM) 是表征光子晶體結(jié)構(gòu)的**可用工具。

圖 1(a).嵌入了耦合 L3PhC 腔的量子點(diǎn)（暗點(diǎn)）網(wǎng)絡(luò)的 SEM 圖像。(b).光子晶體波導(dǎo)的 SEM 圖像，頂部帶有一個(gè)輸出耦合器，并包含六個(gè)量子點(diǎn)（用紅色三角形表示）。(c).懸浮膜期間的 SEM 截面圖

這項(xiàng)研究中使用了 S neox。S neox 可提供最多 4 種不同光源（紅光、綠光、藍(lán)光和白光），這對本研究中尤其重要，因?yàn)槭褂?2D 明場高放大倍率成像和紅光光源使我們能夠探查原本不可見的膜下特征。這項(xiàng)研究的目的是對在薄 (250 nm) 懸浮砷化鎵膜上制造的光子晶體器件進(jìn)行高精度（亞微米）無損表征。

我們通過明場顯微鏡、使用 150 倍物鏡并運(yùn)用了顯微鏡的四個(gè) LED 光源來觀察浮膜器件。我們總是假設(shè)觀察到的圖像反映了器件的表面特征，并將其作為第一近似值。但是，在某些器件中（例如包含介電層的材料），光可以穿透頂層并提供有關(guān)內(nèi)部零部件的信息，這非常有用。因此，我們試圖將該技術(shù)應(yīng)用于我們的浮膜裝置。由于砷化鎵在室溫下的帶隙能量為 1.52 eV (815 nm)，因此其在可見光譜范圍內(nèi)是不透明的。

在所有較短的波長下 砷化鎵的吸收系數(shù)都很大，并且與波長密切相關(guān)：¹ 1.- J. O. Akinlami 和 A. O. Ashamu 2013 J. Semicond.34 032002Sensofar 顯微鏡使用的紅光 LED（630 nm 波長為 3.9µm-1）和藍(lán)光 LED（460 nm 波長為 20.4µm-1）之間相差 5 倍。但是，對于我們使用的薄膜（波長 250-260 nm），有很大機(jī)會(huì)至少能夠在紅光下從器件底部恢復(fù)有用信息，因?yàn)榧t光很少被膜吸收。

圖 2. PhC 腔器件的明場圖像，全部使用 150 倍物鏡拍攝（明場，4 倍變焦）。光源是紅光 LED (a)。綠光 LED (b)、藍(lán)光 LED (c) 和白光 LED (d) 。在 (e) 和 (f) 中，我們分別看到用紅光和藍(lán)光 LED 拍攝的暗場圖像（對應(yīng)于 a 和 c 中的明場圖像）

圖3. a) 歸一化為相等整體強(qiáng)度的四種顏光 LED 光譜；b) 兩次通過（來回穿過）260 nm 厚砷化鎵膜（右軸）的光線的衰減光譜 (T2) ，以及兩次通過（左軸）后從 (a) 反射的 LED 光強(qiáng)度

在圖 4 中，我們顯示了光子晶體波導(dǎo)器件的藍(lán)光 (4a) 和紅光 (4b) 圖像。與 圖 2a 和 圖 c 相似，我們觀察到藍(lán)光圖像具有更高的分辨率，表現(xiàn)在亞微米 (0.4×0.8 µm) 腔中。

除此以外，表面看起來很平滑（某些孤立缺陷除外）。如果我們查看相同區(qū)域的紅光圖像（ 圖 4b ），器件再次將整個(gè)陣列視為圖像的最亮部分，并在其周圍顯示灰色帶。它是膜下蝕刻部分的圖像，僅在紅光下可見。我們還觀察到了這些“內(nèi)部"表面的某些粒度（可能位于膜的底部或基材的頂部），同樣僅在此圖像中可見。

<em>圖 4</em>.使用 150 倍物鏡拍攝的光子晶體波導(dǎo)器件的明場圖像。光源是藍(lán)光 LED (a) 和紅光 LED (b)

在對薄膜半導(dǎo)體器件進(jìn)行成像時(shí)，我們可以使用紅光穿透膜進(jìn)行成像，而藍(lán)光僅能顯示器件的表面。使用藍(lán)光和紅光進(jìn)行明場成像，我們可以比對光子器件的“頂部"和“內(nèi)部"圖像。

2D 明場成像模式下的S neox 3D光學(xué)輪廓儀成像迅速且無損，使我們能夠?qū)υ静豢梢姷钠骷卣鬟M(jìn)行成像。這對于表征多種類型的 MEMS 器件非常有用，因?yàn)楣?(Si) 的光吸收顯示了出與砷化鎵相似的趨勢。