БЕЗМАСОЧНЫЙ СПОСОБ ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННОГО ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКОГО РЕЛЬЕФА С ФАЗОВЫМИ СДВИГАМИ π НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Заявляемое в качестве изобретения техническое решение относится к области лазерных технологий, более конкретно к безмасочным способам лазерно-индуцированного формирования рельефа на поверхности полупроводниковых материалов, и может быть использовано при производстве одночастотных полупроводниковых лазеров с распределенной обратной связью (РОС-лазеров).

Одночастотная генерация в полупроводниковых РОС-лазерах может быть обеспечена применением субмикронного периодического рельефа с фазовыми сдвигами π, являющегося внутренним элементом лазера. Известны способы формирования субмикронного периодического рельефа с фазовыми сдвигами π на поверхности полупроводниковых материалов с использованием литографической масочной технологии.

Недостатком этих способов является то, что субмикронная литографическая масочная технология представляет собой сложный и длительный многоступенчатый процесс, поэтому стоимость периодического рельефа с фазовыми сдвигами π, полученного с использованием масочной технологии, весьма высока. Для снижения стоимости одночастотных полупроводниковых РОС-лазеров, включающих в качестве внутреннего элемента субмикронный периодический рельеф с фазовыми сдвигами π, требуется использовать более дешевые безмасочные способы.

Известен безмасочный способ лазерно-индуцированного формирования периодического рельефа с фазовыми сдвигами π на поверхности полупроводниковых материалов (аналог), описанный в статье G. Heise и др., "Голографические решетки с фазовыми сдвигами для лазеров с рапределенной обратной связью", опубликованной в журнале "Рrос. SPIE", Том 651, стр. 87-91 в 1986 году, включающий следующие общие с заявляемым техническим решением признаки: освещение поверхности полупроводникового материала, находящегося в контакте с химическим травителем, двумя когерентными лазерными лучами, создающими интерференционную картину с периодом d₁, а затем освещение этого материала двумя когерентными лазерными лучами, создающими интерференционную картину с периодом d₂, не равным d₁. В этом способе однократное освещение поверхности полупроводникового материала в течение времени Δt₁ первой парой лучей приводит к формированию на первоначально плоской поверхности полупроводника периодической рельефной решетки 1 с периодом d₁ и амплитудой h₁. Последующее однократное освещение поверхности полупроводника в течение времени Δt₂ второй парой лучей приводит к формированию на поверхности полупроводникового материала с уже имеющейся периодической рельефной решеткой 1 второй периодической рельефной решетки 2 с периодом d₂ и амплитудой h₂. При этом результирующий рельеф поверхности является суперпозицией решеток 1 и 2.

Если амплитуды h₁ и h₂ первой и второй решеток одинаковы, то результирующий периодический рельеф с фазовыми сдвигами π позволяет обеспечить стабильную одночастотную генерацию в полупроводниковых РОС-лазерах. Если же амплитуды h₁ и h₂ первой и второй решеток неодинаковы, то результирующий рельеф не позволяет обеспечить стабильную одночастотную генерацию. Недостатком описанного выше способа-аналога является то, что в нем очень трудно обеспечить одинаковые амплитуды h₁=h₂ первой и второй решеток, обладающих периодами d₁ и d₂ соответственно. Это обусловлено тем, что решетки формируются в разных условиях: решетка 1 с периодом d₁ формируется на первоначально плоской поверхности полупроводникового материала, а решетка 2 с периодом d₂ - на поверхности полупроводника с уже имеющейся решеткой 1. Поэтому обычный контроль амплитуды решеток 1 и 2 по времени освещения Δt₁ и Δt₂ когерентными лазерными лучами, создающими интерференционные картины с периодами d₁ и d₂, не может обеспечить достаточную точность равенства амплитуд h₁ и h₂ первой и второй решеток.

Известен безмасочный способ лазерно-индуцированного формирования периодического рельефа с фазовыми сдвигами π на поверхности полупроводниковых материалов (аналог), описанный в статье В.Я. Панченко и др. "Бигармонический резонатор для одночастотных полупроводниковых лазеров с распределенной обратной связью: концепция и реализация", опубликованной в журнале "Оптическая техника", 1(9), стр. 27-30 в 1996 году, включающий следующие общие с заявляемым техническим решением признаки: освещение поверхности полупроводникового материала, находящегося в контакте с химическим травителем, когерентными интерферирующими лазерными лучами. В этом способе поверхность полупроводникового материала освещается в течение времени Δt одновременно тремя лазерными лучами: лучом 1, лучом 2 и лучом 3, которые падают на поверхность полупроводника под разными углами к нормали. При этом интерференционная картина, создаваемая лучом 1 и лучом 2, приводит к формированию периодической решетки 1 с периодом d₁ и амплитудой h₁, а интерференционная картина, создаваемая лучом 1 и лучом 3, приводит к формированию периодической решетки 2 с периодом d₂ и амплитудой h₂.

Недостатком этого способа-аналога является то, что при одновременном освещении поверхности полупроводникового материала тремя интерферирующими лазерными лучами 1, 2 и 3 в дополнение к формированию на поверхности полупроводника решеток 1 и 2 с периодами d₁ и d₂ происходит формирование решетки 3 с периодом d₃, не равным d₁ и d₂, обусловленное интерференционной картиной, создаваемой лучами 2 и 3. В результате периодический рельеф поверхности является суперпозицией трех решеток с периодами d₁, d₂, и d₃. Такой рельеф не позволяет обеспечить стабильную одночастотную генерацию в полупроводниковых РОС-лазерах.

Известен также безмасочный способ лазерно-индуцированного формирования периодического рельефа с фазовыми сдвигами π на поверхности полупроводниковых материалов по патенту США 4859548, НКИ США: 430/1 (прототип), включающий следующие общие с заявляемым техническим решением признаки: освещение поверхности полупроводникового материала, находящегося в контакте с химическим травителем, двумя когерентными лазерными лучами, создающими интерференционную картину с периодом d₁, а затем освещение этого материала двумя когерентными лазерными лучами, создающими интерференционную картину с периодом d₂, не равным d₁. В этом способе однократное освещение поверхности полупроводникового материала в течение времени Δt₁ первой парой лучей приводит к формированию на первоначально плоской поверхности полупроводника периодической рельефной решетки 1 с периодом d₁ и амплитудой h₁. Последующее однократное освещение поверхности полупроводника в течение времени Δt₂ второй парой лучей приводит к формированию на поверхности полупроводникового материала с уже имеющейся периодической рельефной решеткой 1 второй периодической рельефной решетки 2 с периодом d₂ и амплитудой h₂. При этом результирующий рельеф поверхности является суперпозицией решеток 1 и 2.

Недостатком прототипа является то, что в этом способе очень трудно обеспечить одинаковые амплитуды h₁=h₂ первой и второй решеток, обладающих периодами d₁ и d₂ соответственно. Это обусловлено тем, что решетки формируются в разных условиях: решетка 1 с периодом d₁ формируется на первоначально плоской поверхности полупроводникового материала, а решетка 2 с периодом d₂ - на поверхности полупроводника с уже имеющейся решеткой 1. При этом обычный контроль амплитуды решеток 1 и 2 по времени освещения Δt₁ и Δt₂ каждой парой интерферирующих лазерных лучей не может обеспечить достаточную точность равенства амплитуд h₁=h₂ первой и второй решеток, что является необходимым условием стабильной одночастотной генерации РОС-лазеров. Поэтому периодический рельеф с фазовыми сдвигами π, сформированный таким способом, не позволяет обеспечить стабильную одночастотную генерацию в полупроводниковых РОС-лазерах.

Техническая задача заявляемого технического решения состоит в создании безмасочного способа лазерно-индуцированного формирования периодического рельефа с фазовыми сдвигами π на поверхности полупроводниковых материалов, позволяющего обеспечить стабильную одночастотную генерацию в полупроводниковых РОС-лазерах.

Сущность заявляемого технического решения состоит в том, что безмасочный способ лазерно-индуцированного формирования периодического рельефа с фазовыми сдвигами π на поверхности полупроводниковых материалов включает освещение поверхности полупроводникового материала, находящегося в контакте с химическим травителем, двумя когерентными лазерными лучами, создающими интерференционную картину с периодом d₁, а затем освещение этого материала двумя когерентными лазерными лучами, создающими интерференционную картину с периодом d₂, не равным d₁, причем освещение поверхности полупроводникового материала осуществляют в виде многократной последовательности циклов, число которых больше или равно десяти, каждый из которых включает освещение поверхности полупроводника сначала двумя когерентными лазерными лучами, создающими интерференционную картину с периодом d₁, а затем двумя когерентными лазерными лучами, создающими интерференционную картину с периодом d₂, не равным d₁, причем время освещения в каждом цикле каждой парой лучей выбирают исходя из условия, чтобы за это время амплитуда рельефа увеличивалась не более чем на 0,5 нм.

В отличие от прототипа, в котором время однократного освещения поверхности полупроводникового материала каждой парой интерферирующих лазерных лучей выбирают исходя из условия, чтобы за это время амплитуда соответствующей решетки увеличивалась до максимального значения, в заявляемом техническом решении время освещения поверхности полупроводника в каждом цикле каждой парой интерферирующих лазерных лучей выбирают исходя из условия, чтобы за это время амплитуда рельефа увеличивалась не более чем на 0,5 нм. Увеличение амплитуды рельефа не более чем на 0,5 нм за время освещения в каждом цикле каждой парой интерферирующих лазерных лучей гарантирует, что решетки 1 и 2 с периодами d₁ и d₂ формируются в одинаковых условиях. Это и обеспечивает возможность контроля равенства их амплитуд h₁=h₂ с необходимой точностью.

Многократная последовательность циклов освещения, число которых больше или равно десяти, позволяет формировать периодический рельеф с фазовыми сдвигами π, амплитуда которого может составлять 10 нм и более, что необходимо для обеспечения нормального режима работы полупроводниковых РОС-лазеров. Если же число последовательных циклов освещения меньше десяти, то амплитуда результирующего периодического рельефа с фазовыми сдвигами π будет меньше 10 нм, что не позволяет обеспечить нормальный режим работы РОС-лазеров.

Заявляемое техническое решение иллюстрируется на Фиг. 1 и 2.

На Фигуре 1 показана возможная реализация заявляемого технического решения, где:
1 - лазерный луч с длиной волны λ и интенсивностью I, падающий на поверхность полупроводникового материала под углом θ₁ к нормали;
2 - лазерный луч с такой же длиной волны λ и такой же интенсивностью I, падающий на поверхность полупроводникового материала под углом θ₂ к нормали, не равным углу θ₁;
3 - лазерный луч с такой же длиной волны λ и такой же интенсивностью I, падающий на поверхность полупроводникового материала под углом θ₃ к нормали, не равным углу θ₂ и углу θ₁;
4 - химический травитель;
5 - полупроводниковый материал;
6 - оптические затворы;
7 - периодический рельеф с фазовыми сдвигами π.
На Фигуре 2 показан результирующий периодический рельеф с фазовыми сдвигами π, являющийся суперпозицией двух периодических решеток с различными периодами d₁ и d₂, но одинаковыми амплитудами h₁=h₂, где:
8 - области расположения фазовых сдвигов периодического рельефа.

Формирование периодического рельефа с фазовыми сдвигами π на поверхности полупроводникового материала в соответствии с данной реализацией заявляемого технического решения происходит следующим образом. Лазерный луч 1 освещает поверхность полупроводникового материала 5, находящегося в контакте с химическим травителем 4, непрерывно. Оптические затворы 6 периодически закрывают и открывают лазерные лучи 2 и 3 на одинаковое время Δt так, что в каждый момент времени поверхность полупроводника 5 освещается либо интерферирующими лазерными лучами 1 и 2, либо интерферирующими лучами 1 и 3. Лучи 1 и 2, падающие на поверхность полупроводникового материала под углами θ₁ и θ₂ к нормали, формируют интерференционную картину с периодом d₁, определяемым выражением
d₁ = λ/n_тр(sinθ₁+sinθ₂) (1)
а лучи 1 и 3, падающие на поверхность полупроводникового материала под углами θ₁ и θ₃ к нормали, формируют интерференционную картину с периодом d₂, определяемым выражением
d₂= λ/n_тр(sinθ₁+sinθ₃) (2)
где λ - длина волны лазерного излучения, n_тр - показатель преломления химического травителя.

При освещении поверхности полупроводникового материала каждой парой интерферирующих лазерных лучей в полупроводнике вблизи его поверхности происходит генерация электрон-дырочных пар. Электрон-дырочные пары генерируются только в светлых полосах интерференционной картины, но не генерируются в темных полосах, что приводит к периодическому распределению плотности электрон-дырочных пар вдоль поверхности полупроводника. Поскольку скорость травления полупроводника в химическом травителе пропорциональна концентрации дырок вблизи его поверхности, то имеет место пространственно-неоднородное травление полупроводникового материала, что и приводит к формированию на его поверхности периодического рельефа.

Попеременное открытие лучей 2 и 3 на время Δt оптическими затворами 6 проводится многократно. При этом освещение поверхности полупроводникового материала осуществляется в виде многократной последовательности циклов, число которых больше или равно десяти, каждый из которых включает освещение поверхности полупроводника в течение времени Δt сначала двумя когерентными лазерными лучами 1 и 2, создающими интерференционную картину с периодом d₁ в соответствии с формулой (1), а затем освещение в течение времени Δt двумя когерентными лазерными лучами 1 и 3, создающими интерференционную картину с периодом d₂ в соответствии с формулой (2), не равным d₁. При этом время освещения в каждом цикле каждой парой лучей выбирают исходя из условия, чтобы за это время амплитуда рельефа увеличивалась не более чем на 0,5 нм. В результате после N циклов освещения (N≥10) формируется периодический рельеф с фазовыми сдвигами π, амплитуда которого составляет N•2•0,5 нм.

Результирующий периодический рельеф 7, являющийся суперпозицией двух периодических решеток с разными периодами d₁ и d₂, но одинаковыми амплитудами h₁= h₂, показан на Фигуре 2. Этот рельеф имеет синусоидально-модулированную амплитуду и периодически расположенные фазовые сдвиги π 8.

Отметим, что формирование периодического рельефа с фазовыми сдвигами π на поверхности полупроводниковых материалов в соответствии с заявляемым техническим решением может проводиться как при подаче на полупроводник смещающего электрического потенциала (положительного или отрицательного, постоянного или переменного), так и без него, исходя из условия обеспечения наилучших условий травления для различных полупроводниковых материалов и получения решеток с наибольшей амплитудой и наивысшим качеством.

Пример конкретного выполнения
Освещение поверхности полупроводникового материала InP n-типа с концентрацией носителей n=5•10¹⁸ см^-3, находящегося в контакте с жидким химическим травителем Н₂O: HCl: НNО₃= 50: 5:1 (показатель преломления n_тр=1,34), осуществлялось в виде многократной последовательности циклов, число которых составляло 240. Каждый цикл включал освещение поверхности InP сначала двумя когерентными лучами аргонового лазера с длиной волны λ = 488 нм и интенсивностью I=10 мВт/cм², падающими на поверхность под углами к нормали и создающими интерференционную картину с периодом d₁=559 нм, а затем двумя когерентными лучами аргонового лазера с длиной волны λ= 488 нм и интенсивностью I=10 мВт/cм², падающими на поверхность под углами θ₁= 19^° и θ₃= -20^° к нормали и создающими интерференционную картину с периодом d₂=546 нм. Время освещения поверхности полупроводника каждой парой лучей в каждом цикле составляло 0,5 с, причем амплитуда рельефа увеличивалась за один цикл на 2•0,375 нм = 0,75 нм. Результирующая амплитуда периодического рельефа с фазовыми сдвигами π после 240 циклов освещения составила 180 нм.

Новизна заявляемого технического решения состоит в том, что в нем впервые предложено использовать для формирования периодического рельефа с фазовыми сдвигами π на поверхности полупроводниковых материалов многократную последовательность циклов освещения, в каждом из которых амплитуда рельефа увеличивается не более чем на 2•0,5 нм = 1 нм. Такой режим освещения дает возможность формировать рельеф, обеспечивающий стабильную одночастотную генерацию полупроводниковых РОС-лазеров, дешевым безмасочным лазерно-индуцированным способом. Применение заявляемого технического решения для производства одночастотных полупроводниковых РОС-лазеров может существенно снизить их стоимость, поскольку не требуется применять дорогостоящие и сложные субмикронные литографические масочные технологии. Это открывает возможность для использования заявляемого технического решения в промышленных масштабах.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям "новизна", "изобретательский уровень" и "промышленная применимость".