Способ получения голограмм на кремнии

Способ получения голограмм на кремнии

Реферат

 

Изобретение относится к способам голографической записи и восстановлению волновых фронтов света и может быть применено для записи и хранения информации на полупроводниковых материалах (преимущественно на кремнии), особенно в случаях необходимости восстановления волновых фронтов света, несущих записанную информацию, в видимой и инфракрасной области (ИК) спектра. Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является получение следующего технического результата: увеличение дифракционной эффективности голограмм на кремнии при восстановлении в видимой и ИК области спектра. Сущность изобретения заключается в следующем. Методом ионной имплантации в образце кремния создается приповерхностный аморфизованный слой, на котором записывается интерференционная картина от объектного и опорного пучков когерентного излучения наносекундного диапазона длительностей с длиной волны в полосе поглощения аморфного полупроводника. После записи интерференционной картины образец дополнительно облучают импульсом некогерентного света. 4 ил.

Изобретение относится к способам голографической записи и восстановлению волновых фронтов света и может быть применено для записи и хранения информации на полупроводниковых материалах (преимущественно на кремнии), особенно в случаях необходимости восстановления волновых фронтов света, несущих записанную информацию, в видимой и инфракрасной (ИК) области спектра.

Известен способ получения голограмм на полупроводниковых материалах, основанный на локальном изменении структурных и оптических характеристик некоторых полупроводников под воздействием лазерного излучения [1, 2]. В качестве носителей для записи оптических сигналов использовались тонкие аморфные полупроводниковые пленки.

Образцы подвергались воздействию импульсов рубинового ( = 0.69 мкм) и неодимового ( = 1.06 мкм) лазеров, работающих в режиме свободной генерации. Излучение лазера разделялось полупрозрачным зеркалом на два примерно равных по интенсивности пучка и направлялось на образец под необходимым углом схождения. При этом на пленке регистрировалась интерференционная решетка - голограмма поля излучения.

Однако, голограммы, полученные по известному способу, обладают малой дифракционной эффективностью. Так, при освещении решетки He-Ne лазером ЛГ-56 оказалось, что дифракционная эффективность составляла 1-4% [1].

Известен также способ получения голограмм на полупроводниковом материале [3] , являющийся наиболее близким к заявляемому и поэтому выбранный в качестве прототипа. По этому способу увеличение дифракционной эффективности полупроводниковых голограмм достигается обработкой поверхности высокоомного полупроводника путем ионного легирования электроактивными примесями.

В основу известного способа [3] положен принцип увеличения разности коэффициентов отражения в экспонированных и неэкспонированных областях фоточувствительного голограммного материала, подвергнутого воздействию лазерного излучения. От разности коэффициентов отражения зависит, как известно, контраст голографической решетки, а следовательно, КПД, то есть, дифракционная эффективность голограммы. Разность коэффициентов отражения для экспонированных и неэкспонированных областей увеличивается путем повышения концентрации свободных носителей в результате электрической активации внедренной примеси в экспонированных областях.

Технически этот способ [3] реализуется следующим образом. Высокоомный полупроводник, например, монокристаллический кремний n-типа проводимости с концентрацией электронов 10¹⁵ см^-3 после соответствующей обработки (шлифовки, полировки) имплантируют ионами электроактивной примеси, например, фосфора или сурьмы, на ионно-лучевом ускорителе ИЛУ-3. При этом температуру образца поддерживают 630^oC с тем, чтобы на поверхности кремния образовался аморфный ионно-легированный слой. Затем на этом ионно-легированном слое осуществляют запись голографической решетки (запись интерференционной картины от объектного и опорного пучков) на длине волны света в полосе поглощения полупроводника, например 1.06 мкм (неодимовый лазер). Длительность импульса лазерного излучения выбирают в наносекундном диапазоне, а интенсивность - в пределах 20-50 МВт/см². Эту интенсивность выбирают такой, чтобы она была достаточной для отжига радиационных дефектов и электрической активации внедренной примеси, но меньше порога светового разрушения полупроводника.

В местах, подвергнутых освещению (экспонированию), резко увеличивается концентрация носителей заряда (электронов) до значений 10²⁰ см^-3.

Величина коэффициента отражения изменяется наиболее резко при считывании в ИК области спектра на длинах волн, превосходящих плазменную длину волны для данного ионно-легированного слоя. Например, для длин волн 10 мкм (лазер на CO₂) разность коэффициентов отражения экспонированных и неэкспонированных областей составляет 40%. Это приводит к увеличению дифракционной эффективности голограмм, изготовленных по способу [3], по сравнению с известными аналогами [1, 2], при восстановлении в ИК диапазоне спектра.

Однако голограммы на кремнии, полученные по известному способу [3], обладают низкой дифракционной эффективностью при восстановлении в видимой области спектра, поскольку разность коэффициентов отражения экспонированных и неэкспонированных областей становится существенной только на длинах волн, превосходящих плазменную длину волны для данного ионно-легированного слоя, т. е. в ИК области спектра. Это наглядно подтверждается результатами испытаний, Так, на фиг. 1a приведена микрофотография поверхности голограммы, изготовленной по известному способу [3]. Дифракционная картина, полученная на этой решетке при восстановлении в видимой области спектра на длине волны излучения He-Ne лазера ( ( = 0.63 мкм) приведена на фиг. 3a. Известно, что дифракционная эффективность определяется как отношение интенсивности дифрагировавшей волны первого порядка E_1пор к интенсивности излучения, освещающего голограмму E_пад [4]. Хорошо видно, что основная интенсивность излучения заключена в нулевом максимуме (центральное пятно, на фиг. 3a).

Кроме того, полученная по известному способу [3] голограмма является амплитудной, т. е. основным механизмом, с помощью которого записанная информация переносится на восстановленное оптическое поле, является разность коэффициентов пропускания или отражения экспонированных и неэкспонированных участков поверхности полупроводников [5]. Это подтверждается фиг. 1a и 2a. Видно (фиг. 1a), что записанная на поверхности полупроводника периодическая решетка отличается различными коэффициентами отражения в экспонированных и неэкспонированных областях. На фиг. 2a приведена микрофотография этой же структуры, выполненная на интерференционном микроскопе МИИ-4. Формирование параллельных горизонтальных интерференционных полос свидетельствует о том, что на границе между экспонированными и неэкспонированными участками не образуется ступенька, т.е. на поверхности полупроводника не образуется микрорельеф (в пределах погрешности измерения на МИИ-4 15 нм). Это означает, что при считывании этой голограммы не возникает разница оптических путей с двух участков, т. е. эта голограмма является амплитудной. При этом хорошо известно, что теоретический предел дифракционной эффективности тонкой амплитудной голограммы составляет 6.25% как при восстановлении в видимом, так и ИК-диапазоне спектра, а практически достижимые значения составляют от 1 до 2% [4,5].

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является получение следующего технического результата: увеличение дифракционной эффективности голограмм на кремнии при восстановлении в видимой и ИК-области спектра.

Сущность изобретения состоит в том, что в известном способе получения голограмм на кремнии, заключающемся в создании методов ионной, имплантации приповерхностного аморфизованного слоя и записи интерференционной картины от объектного и опорного пучков когерентного излучения наносекундного диапазона длительностей с длиной волны в полосе поглощения аморфного полупроводника - для решения поставленной задачи - после записи интерференционной картины образец дополнительно облучают импульсом некогерентного света длительностью в интервале 0.05-4 с и плотностью мощности в интервале 3400-70 Вт/см².

На фиг. 1б к нашей заявке приведена микрофотография поверхности голограммы, изготовленной по заявляемому способу. Видно, что в отличие от голограммы изготовленной по известному способу [3] (фиг. 1а) наблюдается изменение микрорельефа на поверхности образца. Это изменение возникает в результате облучения структуры, приведенной на фиг. 1а импульсом некогерентного света. Более четко это изменение можно проследить по интерференционной микрофотографии, приведенной на фиг. 2б. Хорошо видно, что между экспонированными и неэкспонированными участками голограммы образуется ступенька. Это приводит к возникновению разницы оптических путей с двух участков при считывании голограммы. Изменение физической толщины означает, что голограмма, формируемая по заявляемому способу, является фазовой [4,5] (в отличие от голограммы, сформированной по известному способу [3], которая является амплитудной). При этом согласно данным теории фазовых голограмм [4,5] следовало ожидать существенного повышения дифракционной эффективности. Хорошо известно, что максимальная дифракционная эффективность таких голограмм 33.9% [4,5] . Действительно, если сравнить дифракционную картину, полученную на сформированных по предлагаемому нами способу (фиг. 3б) и по известному способу [3] (фиг. 3а) видно, что в нашем случае происходит заметное увеличение дифракционной эффективности. Как уже отмечалось выше, дифракционная эффективность определяется, как отношение E_1пор/E_пад. Хорошо видно, что интенсивность центрального пятна (соответствующего нулевому максимуму) по нашему способу (фиг. 36) значительно меньше, чем по известному способу [3] (фиг. 3а) за счет перераспределения интенсивности падающего излучения в соответствующие максимумы дифракции. Это приводит к существенному увеличению дифракционной эффективности по нашему способу, по сравнению с известным способом - прототипом [3]. Восстановление волновых фронтов мы проводили излучением He-Ne лазера ( = 0.63 мкм).

Границы режима облучения импульсным некогерентным светом (_и = 0.05-4 с, I₀ = 3400-70 Вт/см²) определяются следующим образом.

Мы провели исследование по определению максимальной длительности импульса некогерентного света, которая еще позволяет сформировать качественную фазовую голограмму. Наши эксперименты показали, что верхний предел длительности импульса равен _и = 4.0 с (при плотности мощности светового импульса I₀ = 70 Вт/см²). При больших длительностях исчезает контраст оптических и теплофизических свойств экспонированных и неэкспонированных областей голограммы, и потому не формируется качественная фазовая голограмма.

Рабочий диапазон длительностей импульса некогерентного светового облучения со стороны коротких длительностей ограничен _и = 0.05 с (I₀ = 3400 Вт/см²), т. к. при меньших длительностях уменьшается время существования расплавленного состояния и не формируется качественный рельеф, необходимый для создания фазовой голограммы. Кроме того, при меньших длительностях возможна генерация мощных механических напряжений, приводящих к разрушению образцов.

Рассмотрим способ на конкретных примерах.

Пример 1. Монокристаллический полупроводник, например, кремний p-типа проводимости с исходной концентрацией носителей 1,5 10¹⁶ см^-3 после соответствующей обработки (шлифовки, химико-механической полировки) имплантируют на ускорителе ИЛУ-3 ионами с массами M > 28 у.е.м., например, фосфора для создания аморфизованного слоя. Энергию и дозу имплантации (E = 40 кэВ, D=3.12 10¹⁵ см^-2) выбирают из таких соображений, чтобы аморфизованный слой начинался непосредственно от поверхности образца.

Затем на этом ионно-имплантированном слое проводят запись голографической решетки на длине волны света в полосе поглощения аморфного полупроводника например 1.06 мкм (неодимовый лазер) с интенсивностью 20-50 МВт/см². При этом длительность светового импульса выбирают в наносекундном диапазоне длительностей, а плотность энергии устанавливают таким образом, чтобы она была достаточной для отжига дефектов в экспонированных областях, но ниже порога светового разрушения полупроводника.

В местах, подвергнутых экспозиции, происходит рекристаллизация аморфизованного кремния (и электрическая активация примеси). При выбранной нами геометрии эксперимента период решетки равен 24 мкм (фиг. 1а).

Затем структура облучается импульсом некогерентного света на установке УОЛ.П-1 излучением ксеноновых ламп-вспышек ИНП-16/250А со спектром излучения от УФ до ближнего ИК. Важным достоинством мощных некогерентных источников света являются, как известно, высокая однородность облучения образцов большого диаметра вплоть до 100-150 мм. Особенностью этой установки является возможность плавного управления плотностью мощности излучения I₀ в диапазоне от 20 до 4000 Вт/см², и как следствие, длительностью импульса некогерентного света от 0.02 до 20 с, приводящей к плавлению поверхности кремния (фиг. 4).

Длительность импульса некогерентного света выбирают _и = 0.13 с, а плотность мощности излучения I₀ = 1250 Вт/см². При облучении структуры импульсом некогерентного света происходит плавление неэкспонированных областей с последующей их рекристаллизацией и формированием микрорельефа (фиг. 1б, 2б). В результате этого происходит образование фазовой голограммы, что обеспечивает повышение дифракционной эффективности по сравнению с амплитудной голограммой, изготовленной по известному способу (фиг. 3б и 3а).

Таким образом, видно, что запись голограммы на ионно-имплантированном кремнии по заявляемому способу повышает дифракционную эффективность при восстановлении в видимом и ИК диапазоне спектра.

Пример 2. Длительность импульса некогерентного света выбирают _и = 0.05 с, а плотность мощности излучения I₀ = 3400 Вт/см².

Остальное - как в примере 1.

Пример 3. Длительность импульса некогерентного света выбирают _и = 4.0 с, а плотность мощности излучения I₀ = 70 Вт/см².

Остальное - как в примере 1.

Используемая литература: 1. Белокриницкий Н. С., Гнатовский А.В., Данилейко М.В., Захаров В.П., Козлов А.В., Шпак М.Т. Запись оптической информации на аморфных пленках полупроводниковых соединений//Письма в ЖЭТФ. - 1972. - т. 15, вып. 4. - с. 198-200.

2. Белокриницкий Н. С. // Доклады АН СССР. - 1973. - т. 209, N 2. - с. 330-332.

3. Хайбуллин И.Б., Зарипов М.М., Штырков Е.И., Галяутдинов М.Ф., Туриянский Е. А. // А.С. СССР N 490368, кл. G 03 H 1/04, 1974, Бюлл. изобр. N 11 за 1976 г., с. 199, дата опубликования 16.04.76 г. (прототип).

4. Кольер Р. , Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. - М.: Мир, 1973, с. 688 (256-258).

5. Применение голографии /Под ред. Дж. Гудмена. - М., 1973, с. 80 (18-19).

Формула изобретения

Способ получения голограмм на кремнии, заключающийся в создании методом ионной имплантации аморфизованного слоя на поверхности образца и записи интерференционной картины от объектного и опорного пучков когерентного излучения наносекундного диапазона длительности с длиной волны в полосе поглощения аморфного полупроводника, отличающийся тем, что после записи интерференционной картины образец дополнительно облучают импульсом некогерентного света длительностью в интервале 0,05 - 4 с и плотностью мощности 3400 - 70 Вт/см².

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4