Способ измерения локальных электромагнитных полей на поверхности гетероструктур

Изобретение относится к области измерений неоднородностей поверхностей гетероструктур. Способ заключается в измерении в геометрии на отражение сигнала второй гармоники от поверхности образца, облучаемой пикосекундными лазерными импульсами мощностью, необходимой для генерации второй оптической гармоники, но не превосходящей мощности пробоя. При этом направление поляризации линейно-поляризованного излучения накачки плавно изменяется с помощью вращения полуволновой пластины. Одновременно с изменением направления поляризации излучения накачки вращается анализатор, пропускающий излучение второй гармоники, для определения морфологических особенностей составляющих слой полупроводниковых кристаллов. Сканирование слоя микрокристаллов при изменении расстояния от фокусирующей линзы до образца в условиях жесткой фокусировки позволяет определить качество гетероструктуры по толщине. Изобретение обеспечивает повышение качества наносимых слоев гетероструктур за счет измерения интенсивности распределения локальных электромагнитных полей на поверхности микрослоя и определения кристаллографических и морфологических характеристик составляющих слой микрокристаллов. 1 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.

 

Область техники

Изобретение относится к фотонике низкоразмерных структур и может быть использовано для неразрушающих измерений распределений локальных электромагнитных полей оптического диапазона на поверхности полупроводникового слоя при изготовлении стандартных образцов гетероструктур, реализуемых в частности, в виде фотопреобразователей и матричных фотоприемных устройств, составляющих основу оптоэлектроники. Результаты предлагаемых измерений могут быть использованы для определения степени структурной неоднородности поверхности исследуемых образцов и создания карты распределения микроструктур на их поверхности.

Уровень техники

Известен способ изучения поверхностей жидких и твердых тел по состоянию поляризации светового пучка, отраженного этой поверхностью и преломленного на ней. Этот способ называют эллипсометрией [1]. Падающий на поверхность плоско поляризованный свет приобретает при отражении и преломлении эллиптическую поляризацию вследствие приобретения разности фаз между волнами взаимно перпендикулярной поляризации на границе раздела сред. Зависимость между оптическими постоянными слоя и параметрами эллиптически поляризованного света устанавливается на основании формул Френеля. На принципах эллипсометрии построены методы чувствительных бесконтактных исследований поверхности жидкости или твердых веществ, процессов адсорбции, коррозии и др. В качестве источника света в эллипсометрии используется монохроматическое излучение зеленой линии ртути или лазерное излучение, что дает возможность исследовать микронеоднородности на поверхности изучаемого объекта.

Недостатком известного способа является возможность исследовать только лишь поверхностные неоднородности на контрасте с материалом подложки.

Известны способы измерения размеров наночастиц и локализованных на поверхности электромагнитных микрополей (вплоть до атомно-молекулярного уровня) с помощью электронных микроскопов. В просвечивающих и растровых электронных микроскопах высокого разрешения получают изображения отдельных молекул или атомов тяжелых элементов [2]. Фазовый состав микроструктуры оценивается методами электронной и рентгеновской дифрактометрии в геометрии «на просвет» при малоугловом отражении.

Известен способ измерения внутреннего электрического потенциала образца методами интерференционной электронной микроскопии, аналогично оптической интерферометрии: электронный пучок расщепляется с помощью электронных призм, и в одном из плеч интерферометра устанавливается образец, изменяющий фазу проходящей сквозь него электронной волн [3]. Пользуясь методами фазовой электронной микроскопии, восстанавливают по изображениям трехмерную структуру кристаллов. Для решения подобных задач применяют, в частности, методы голографии, а расчеты производят на ЭВМ [4].

Однако способы измерения размеров и электромагнитных полей с помощью электронного микроскопа обладают целым рядом недостатков. Во-первых, необходимо обеспечить малые углы между интерферирующими электронными пучками для наблюдения картины интерференции и обеспечить когерентность интерферирующих пучков, что требует стабильности и монохроматичности во времени создаваемого электронного пучка и использование малых размеров источника. Во-вторых, способ электронной микроскопии чувствителен только к фазово-структурным свойствам приповерхностного слоя и не обладает чувствительностью к изменениям на границе раздела различных сред. К недостаткам электронной микроскопии также можно отнести необходимость прерывать процесс изготовления гетероструктур для того, чтобы переместить образец в электронный микроскоп и невозможность применять процесс экспресс-анализа структурных свойств полупроводникового слоя непосредственно в процессе роста.

Еще одним ограничением метода электронной микроскопии является возможность исследования только проводящих материалов. Для исследования изоляторов на их поверхность необходимо наносить тонкую пленку электропроводящего вещества, например углерода.

Известен способ исследования состава поверхностного слоя вещества при энергетическом анализе вторичных Оже-электронов (электронная Оже-спектроскопия). Падающий электрон выбивает электрон внутренней оболочки атома. В результате возбуждения атомов на поверхности образца наблюдается эмиссия вторичных электронов. Малая доля из них (порядка 5-10%) покидает образец в результате межорбитальиых переходов без одновременного испускания квантов рентгеновского излучения. Такие электроны называются Оже-электронами. Кинетическая энергия Оже-электрона определяется разницей энергий внутренней оболочки, с которой электрон был выбит, и энергией более высоколежащего энергетического уровня, откуда на образовавшуюся вакансию переходит электрон с выбросом Оже-электрона. По энергии Оже-электронов можно судить о свойствах атомов, которые их испустили. Таким образом, анализ энергетических спектров Оже-электронов позволяет судить о химическом составе поверхностного слоя исследуемого вещества, а в ряде случаев также дает сведения о химических связях атомов в нем. Существует возможность определения всех элементов тяжелее гелия. В приборах реализующих электронную Оже-спектроскопию энергия электронов в падающем пучке составляет 0,1-3 кэВ [5].

К недостаткам метода Оже-спектроскопии можно отнести тот факт, что исследуется состав поверхности на глубину до 3 нм и основной вклад в сигнал дают первые два-три слоя атомов.

По большей части указанных недостатков лишен метод генерации оптических гармоник в приповерхностной области, обладающий такими свойствами как локальность, неразрушающий контроль, быстрый отклик за счет электронной нелинейности (~100 фс). Помимо этого в случае генерации второй и третьей оптических гармоник в большинстве случаев удается определить кристаллографические свойства того объема вещества, из которого регистрируется нелинейно-оптический сигнал. Известны примеры реализации систем для контроля качества и структурных свойств поверхности методом генерации второй оптической гармоники [6, 7]. Однако данные схемы малопригодны для контроля качества многослойных структур, в том числе, гетероструктур ввиду невозможности сканирования по толщине неоднородного образца.

Раскрытие изобретения

В основу настоящего изобретения. положена задача повышения качества тонкопленочных гетероструктур за счет совершенствования методов контроля их параметров, как непосредственно в процессе роста (in-situ), так и после выращивания (ех-situ), причем структурные свойства поверхности определяются неразрушающим нелинейно-оптическим методом с учетом изменений морфологических параметров на границе раздела различных сред и фазового состава поверхностного слоя. Это выражается, в частности, в измерении распределения локальных электромагнитных полей, влияющих на эффективность генерации второй оптической гармоники в приповерхностном слое тонкопленочной гетероструктуры. Измерения возможно производить по трем координатам в условиях жесткой фокусировки лазерного излучения накачки в приповерхностном слое образца.

Поставленная задача решается тем, что, согласно изобретению, измеряют интенсивность генерации второй гармоники (ГВГ) на поверхности гетероструктуры при сканировании с заданным шагом поверхности микрослоев полупроводникового материала. Суть подхода заключается в том, что интенсивность сигнала второй гармоники с проекцией вектора напряженности электрического поля, направленной вдоль декартовой оси i (x, y или z), определяется формулой:

$$I_i(2\omega )\propto {\left[{\chi }_{ijk}^{(2)}{E}_j^{loc}(\omega )E_k^{loc}(\omega )\right]}^2|F\left(b\Delta k,\xi \text{'},\xi \right){|}^2\left(1\right),$$

где $$E_{j,k}^{loc}$$ - проекции напряженности электромагнитного поля излучения накачки, локализованного внутри структурных неоднородностей поверхности гетероструктуры, на выбираемые при измерениях оси j и k (x, y или z) декартовой системы координат, ω - частота излучения накачки, $${\chi }_{ijk}^{(2)}$$ - тензор нелинейной восприимчивости второго порядка, отвечающий за процесс генерации второй оптической гармоники.

Функция

$$F\left(b\Delta k,\xi \text{'},\xi \right)=iexp\left[-i\Delta kf\right]{\displaystyle \underset{-\xi \text{'}}{\overset{\xi }{\int }}\frac{exp\left[-ib\Delta k\xi \text{'}\text{'}/2\right]}{1+i\xi \text{'}\text{'}}d\xi \text{'}\text{'}\left(2\right)}$$

- интеграл фазового согласования [8], где Δk - фазовая расстройка для процесса ГВГ, ξ=2(L-f)/b и ξ'=-2f/b - координаты границ нелинейной среды, L - длина нелинейной среды, f - фокусное расстояние, b - конфокальный параметр пучка накачки. Фазовый интеграл вносит существенный вклад в процесс ГВГ при жесткой фокусировке, когда L-f, f>>b. В этом случае сигнал второй гармоники на границе раздела двух сред имеет явно выраженный максимум за счет скачков нелинейной восприимчивости, показателя преломления и коэффициента поглощении.

Иными словами, эффективность процесса ГВГ будет определяться четвертой степенью распределения локальных электромагнитных полей в поверхностном структурно неоднородном слое исследуемого образца и параметрами фокусировки пучка накачки в тонких слоях гетероструктуры. При этом через тензор $${\chi }_{ijk}^{(2)}$$ учитывается структурное и кристаллографическое строение поверхностных неоднородностей. Учет анизотропии монокристаллического или поликристаллического приповерхностного слоя при ее наличии производится изменением направления поляризации излучения накачки с последующим анализом полученных ориентационных зависимостей.

Таким образом, методом ГВГ можно характеризовать степень неоднородности распределения, структуру и кристаллографическое строение частиц малого размера в приповерхностных слоях с заданной точностью.

Пример реализации способа

Один из примеров реализации предлагаемого способа состоит в следующем. Экспериментально измерялась интенсивность генерации второй оптической гармоники в гетероэпитаксиальных слоях (ГЭС) кадмия-ртути-теллура (КРТ), выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) на подложке GaAs с ориентацией поверхности (310) - образец №1, а также такая же гетероструктура с нанесенным на поверхность КРТ слоем CdTe - образец №2. При изготовлении фотоприемных матриц слой CdTe играет роль пассивирующего диэлектрика. Нанесение слоя осуществляется квазиэпитаксиальным выращиванием методом «горячей стенки» при температуре 495°C, обеспечивающим хорошую адгезию и необходимые свойства границы раздела KPT-CdTe. При этом слой CdTe получается поликристаллическим с высоким удельным сопротивлением. Параметры образцов представлены в таблице 1.

Таблица 1
Параметры исследуемых образцов
№ образца	Описание образца
	РТ МЛЭ на подложке GaAs (310) с монокристаллическим слоем состава x~0,2 и толщиной 7,3 мкм
	РТ МЛЭ на подложке GaAs (310) с монокристаллическим слоем и нанесенным на него слоем CdTe толщиной 0,75 мкм

На Фиг.1 и Фиг.2 представлены изображения поверхности, полученные с помощью автоматизированного интерференционного микроскопа АИМ (на базе микроинтерферометра МИИ-4), причем на Фиг.1 представлено изображение поверхности образца №1, а на Фиг.2 - изображение поверхности образца №2.

Как можно видеть из Фиг.1 поверхность образца №1 является гладкой, равномерно покрытой монокристаллическим слоем HgCdTe, в то время как образец №2 имеет характерные неоднородности в виде микрокристаллитов CdTe размером несколько единиц микрометров (Фиг.2).

Вторая гармоника генерировалась при накачке пикосекундным Nd:YAG лазером (λ=1064 нм, длительность импульсов 34 пс, интенсивность ~10¹⁰ Вт/см²) и падении излучения под углом 45° к поверхности образца. Отраженный под этим же углом сигнал второй оптической гармоники регистрировался с помощью фотоэлектронного умножителя. Направление поляризации линейно-поляризованного излучения накачки плавно изменялось с помощью полуволновой пластины, одновременно с которой вращался анализатор, пропускающий излучение второй гармоники с поляризацией, сонаправленной с поляризацией накачки или перпендикулярно ей. Поверхность образца располагалась в фокальной области при жесткой фокусировке, когда L-f, f>>b. В этом случае фазовый интеграл (2) вносит наибольший вклад в (1) и интенсивность второй оптической гармоники в этом случае максимальна благодаря наиболее высокой интенсивности лазерной накачки вблизи поверхности образца.

На Фиг.3 и Фиг.4 представлены ориентационные зависимости интенсивности (в относительных единицах) второй гармоники от угла (в градусах) между направлением поляризации накачки и выделенным кристаллографическим направлением на образце №1, а именно - для случаев параллельного (Фиг.3) и скрещенного (Фиг.4) направления анализатора относительно направления поляризации накачки.

Обе представленные зависимости имеют симметричную форму: в случае анализатора, сонаправленного с направлением поляризации накачки, зависимость имеет четыре максимума, расположенных под углом 90° (Фиг.3), в случае скрещенного - два, расположенных друг напротив друга (Фиг.4). Форма ориентационных зависимостей строго детерминирована тензором нелинейной восприимчивости $${\chi }_{ijk}^{(2)}$$ для процесса ГВГ, [9], при этом изменения формы и интенсивности в ориентационных зависимостях в различных точках образца зарегистрировано не было. Полученные результаты характерны для монокристаллической структуры с точечной группой симметрии 43m [9], которой обладают КРТ структуры, и свидетельствуют о монокристалличности приповерхностной области слоя КРТ в ГЭС №1.

Ориентационные зависимости интенсивности ГВГ в образце №2 имеют существенно иной характер (Фиг.5 и Фиг.6). На Фиг.5 представлена ориентационная зависимость интенсивности (в относительных единицах) второй оптической гармоники для образца №2 от угла (в градусах) между направлением поляризации накачки и выделенным кристаллографическим направлением на поверхности образца при параллельном анализаторе относительно направления поляризации накачки. Зависимость имеет два симметричных максимума. На Фиг.6 представлена ориентационная зависимость интенсивности (в относительных единицах) второй оптической гармоники для образца №2 от угла (в градусах) между направлением поляризации накачки и выделенным кристаллографическим направлением на поверхности образца при скрещенном анализаторе относительно направления поляризации накачки. Зависимость имеет нулевой (на уровне шума) сигнал.

Такое поведение свидетельствует о том, что ГВГ происходит не в монокристаллической структуре слоя HgCdTe, а в слое CdTe, не обладающим свойствами монокристалла. Следовательно, слой CdTe на поверхности является плотно упакованным и разупорядоченным, что согласуется с данными оптической микроскопии (см. Фиг.2), показывающими поликристалличность слоя CdTe.

Следует также отметить, что в различных точках ГЭС №2 форма ориентационных зависимостей не менялась, однако интенсивность сигнала была различной. По поверхности данного образца было проведено сканирование эффективности ГВГ при параллельном расположении анализатора относительно направления поляризации накачки в конфигурации, в которой сигнал максимален (90° на Фиг.5). Фиг.7 иллюстрирует зависимость интенсивности сигнала второй гармоники (в относительных единицах) от положения луча накачки (в мм) на образце №2. На Фиг.7 представлены результаты данного сканирования с шагом 0,2 мм, который выбирался из расчета того, что радиус сфокусированного на образец пучка накачки составлял 0.1 мм, и сканирование с меньшим шагом не несло дополнительной информации о неоднородностях поверхности. Как можно видеть из Фиг.7, интенсивность сигнала второй гармоники на образце №2 существенно (более чем в 2 раза) меняется от точки к точке. Данное поведение свидетельствует о структурной неоднородности и разупорядоченности поликристаллического слоя CdTe, что согласуется с данными оптической микроскопии (Фиг.2).

Таким образом, обнаруженная неоднородность интенсивности сигнала второй оптической гармоники из поверхности образца №2 объясняется хаотической ориентацией и неоднородностью размеров и концентрации микрокристаллитов в пленке CdTe, приводящей к флуктуациям нелинейной восприимчивости и оптического отклика в поликристаллическом слое.

Как было сказано выше, интенсивность сигнала второй оптической гармоники из приповерхностного слоя определяется формулой $$I_i(2\omega )\propto {\left[{\chi }_{ijk}^{(2)}{E}_j^{loc}(\omega )E_k^{loc}(\omega )\right]}^2$$ (см. п. "Раскрытие изобретения"). В рассматриваемом нами случае под напряженностями локальных полей $$E_{j,k}^{loc}$$ имеются ввиду значения внутри поликристаллов CdTe. При этом, ввиду разупорядоченности рассматриваемого слоя и отсутствия выделенных кристаллографических направлений для поликристаллов в целом, направления проекций на оси декартовых осей не имеют значения и можно считать, что:

$$I_i(2\omega )\propto {\left[E^{loc}(\omega )\right]}^4.$$

В этом случае (разупорядоченных микрокристаллитов CdTe) интегральный сигнал по апертуре пучка накачки будет изотропным независимо от кристаллографической ориентации микрокристаллита, что подтверждается экспериментальными данными, представленными на Фиг.5 и Фиг.6. В то же время интенсивность сигнала второй оптической гармоники будет определяться величиной E^loc(ω), которая внутри неоднородного поликристаллического слоя CdTe меняется от точки к точке в микрокристаллитах различных размеров и формы, [10], расположенных неоднородным образом в различных точках на поверхности образца. Анализ зависимости, представленной на Фиг.7 позволяет получить карту распределения локальных электромагнитных полей в поликристаллическом слое на поверхности гетероструктуры. Фиг.8 иллюстрирует одномерную карту распределения напряженности локальных электромагнитных полей (в относительных единицах), измеренную при различных положениях луча накачки (в мм) на образце №2 методом ГВГ.

Иными словами, методом ГВГ можно характеризовать степень неоднородности распределения микрочастиц CdTe на поверхности с заданной точностью. Точность может быть повышена за счет более жесткой фокусировки излучения накачки на образец.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения

Для измерения распределения. электромагнитных полей на поверхностях гетероструктур методом генерации второй оптической гармоники предлагается апробированная схема экспериментальной установки, представленной на Фиг.9.

В качестве генераторов излучения накачки используется пикосекундный Nd:YAG лазер 1 типа EK.SPLA PL2143A, генерирующий импульсы на длине волны λ=1064 нм с длительностью 34 пс и частотой 10 Гц. Максимальная энергия в импульсе составляет 50 мДж. На выходе из лазера излучение накачки проходит через инфракрасный фильтр 2 типа КС 18 для того, чтобы отсечь излучение лампы накачки и паразитные гармоники видимого диапазона из лазера.

Направление поляризации линейно-поляризованного излучения накачки плавно изменяется с помощью вращения поляризатора 3, представляющего собой полуволновую пластину, и одновременно с изменением направления поляризации излучения накачки вращается анализатор 8, пропускающий излучение второй гармоники с поляризацией, сонаправленной с поляризацией накачки или перпендикулярно ей. Это необходимо для определения кристаллографических свойств микрочастиц на поверхности полупроводниковой гетероструктуры.

Поверхность исследуемого образца 5 ориентирована под углом 45° к направлению распространения луча накачки. Это позволяет осуществить оптимальную пространственную селективность падающего и отраженного лучей. Перед образцом излучение фокусируется 5 см линзой 4, позволяющей достигать в фокальной области необходимую для ГТГ интенсивность лазерного излучения порядка 10¹⁰ Вт/см². После образца отраженное излучение коллимируется аналогичной линзой 7. Перемещение образца 5 при измерении распределения локальных электромагнитных полей осуществляется с помощью микрометрического винта 6 типа Standa 7T173-20. При сканировании двумерной карты распределения полей используются два микрометрических винта указанного типа, соединенных под углом 90° друг относительно друга. Для диагностики границ раздела в гетероструктуре применяется третий микрометрический винт, позволяющий перемещать образец по z-координате.

Измерение сигнала второй оптической гармоники производится с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) 10 типа Hamamatsu H9858-20, работающего в токовом режиме. Для спектральной селекции излучения накачки и второй гармоники используется фильтр 9 типа СЗС25. Электрический сигнал с ФЭУ обрабатывается цифровым осциллографом типа 11 Tektronix TDS 3032 В, синхронизованным с пикосекундным лазером, в режиме усреднения по цугу импульсов.

Промышленная применимость

Изобретение позволяет исследовать качество создаваемых гетероструктур как в процессе роста толщины слоя гетероструктуры так и после, но, в отличие от эллипсометрии, позволяет также одновременно с этим определять распределение локальных электромагнитных полей в поверхностном слое с учетом влияния подложки на эти поля. Помимо кристаллографических параметров структуры, представляется возможность определить также линейные и нелинейные оптические свойства слоев гетероструктуры, что делает этот метод уникальным по своей информативности о гетероструктуре.

Предлагаемый способ измерения распределения локальных полей и структурных неоднородностей на поверхности гетероструктур гораздо проще электронных методов исследования и не зависит от проводимости структуры

Предлагаемым методом проведено экспериментальное исследование гетероструктур и показано, что процесс ГВГ в данных структурах существенно различается. Если в первом случае сигнал генерации второй оптической гармоники строго детерминирован монокристалличностью и кристаллографической ориентацией слоя КРТ, то во втором случае - меняется от точки к точке из-за неоднородности структурных и нелинейных оптических свойств слоя CdTe. Полученные результаты могут быть использованы при разработке методов диагностики поверхности эпитаксиальных слоев как КРТ, так и других функциональных полупроводниковых слоев, в технологическом процессе получения фоточувствительных матричных структур на основе ГЭС КРТ МЛЭ.

Литература

1. Азам Р., Башара Н. Эллипсометрия и поляризованный свет, пер. с англ. М., 1981.

2. Спивак Г.В., Сапарин Г.В., Быков М.В. Растровая электронная микроскопия, «Успехи физических наук», 1969, т.99, в.4.

3. В.И. Милютин, Интерференционная и фазовая электронная микроскопия «Успехи физических наук», 1961, т.74, в.3.

4. Электронная микроскопия тонких кристаллов, пер. с англ. М., 1968.

5. Ковалев А.И., Щербединский Г.В. Современные методы исследования поверхности металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1989. - 192 с.

6. Патент РФ RU 2006985 C1.

7. Патент японского патентного ведомства JP 4340404 А.

8. S.O. Konorov, A.B. Fedotov, A.A. Ivanov, et al. Second - and third-harmonic generation as a local probe for nanocrystal-doped polymer materials with a suppressed optical breakdown threshold «Optics Communications», 2003, v.224, pp.309-320.

9. Сиротин Ю.И., Шаскольская М.П. Основы кристаллофизики.М.: Наука, 1975.

10. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М.: Наука, 1978, с.465-492.

1. Способ измерения локальных электромагнитных полей, структурных и кристаллографических свойств внутри полупроводниковых низкоразмерных частиц на поверхности гетеростуктур, включающий в себя облучение лазерными импульсами поверхности образца при изменении расстояния от фокусирующей линзы до образца в условиях жесткой фокусировки, измерение отраженного под углом 45° сигнала второй оптической гармоники при интенсивности облучения, достигающей величин, необходимых для генерации второй оптической гармоники, но не достигающих порогового значения интенсивности пробоя, и последующий расчет по измеренным значениям сигнала второй оптической гармоники карты распределения локальных электромагнитных полей на поверхности гетероструктур и определение качества гетероструктуры по толщине.

2. Способ измерения по п.1, отличающийся тем, что направление поляризации линейно-поляризованного излучения накачки плавно изменяется с помощью вращения полуволновой пластины и одновременно с изменением направления поляризации излучения накачки вращается анализатор, пропускающий излучение второй оптической гармоники с поляризацией, сонаправленной с поляризацией накачки или перпендикулярной ей, для определения кристаллографических свойств материала.