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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(duì)本研究中尤其重要，因?yàn)槭褂?2D 明場(chǎng)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(duì)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(chǎng)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?cè)噲D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(zhǎng)下 砷化鎵的吸收系數(shù)都很大，并且與波長(zhǎng)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(zhǎng)為 3.9µm-1）和藍(lán)光 LED（460 nm 波長(zhǎng)為 20.4µm-1）之間相差 5 倍。但是，對(duì)于我們使用的薄膜（波長(zhǎng) 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(chǎng)圖像，全部使用 150 倍物鏡拍攝（明場(chǎng)，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(chǎng)圖像（對(duì)應(yīng)于 a 和 c 中的明場(chǎng)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(chǎng)圖像。光源是藍(lán)光 LED (a) 和紅光 LED (b)

在對(duì)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(chǎng)成像，我們可以比對(duì)光子器件的“頂部"和“內(nèi)部"圖像。

2D 明場(chǎng)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(duì)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(shì)。