Диагностика тонких полупроводниковых слоев с помощью спектроскопии поверхностного плазмонного резонанса с использованием света круговой поляризации

DOI:

В последнее среди исследователей и инженеров нарастает интерес к использованию поляризованного светового излучения для диагностики материальных сред, а также для практического использования в приборных устройствах. Особенно привлекательными являются круговая и эллиптическая поляризация. В работе [5] отмечается, что эллиптически поляризованная электромагнитная вол- на переносит линейный и угловой моменты и оказывает силу и крутящий момент на открытую поверхность.

Авторы [7] показывают, что поляризация света, отраженного от объектива с высокой числовой апертурой, существенно меняется по сравнению с поляризацией падающего света, что имеет решающее значение в приложениях поляризационно-зависимого изображения. Работа [6] посвящена возникновению оптического крутящего момента при прохож- дении линейно поляризованного света через анизотропный кристалл.

В работе [8] предлагается новый метод, заключающийся в использовании плоскопараллельной пластины для преобразования линейной поляризации в другие состояния поляризации. Авторы [1] предлагают точный эллипсометрический метод исследования когерентного света малой эллиптичности. В работе [4] сообщается о новой конструкции эллиптически поляризованного лазерного луча с непрерывным контролем соотношения осей эллипса. В работе [2] представлена теоретическая модель неадиабатического вращательного возбуждения и бесполевой молекулярной ориентации с помощью коротких специфических эллиптически поляризованных лазерных импульсов, возбуждающих полярную молекулу.

В оптической диагностике материальных сред следует отметить использование поверхностных плазмонов и поляритонов, которые при определенных условиях могут возбуждаться на границе этих сред. В качестве таких условий рассматриваются условия их возбуждения с помощью призмы НПВО – нарушенного полного внутреннего отражения. Так в работе [9] рассмотрено применение эллипсометрического метода в условиях НПВО для диагностики биологических объектов. Работа [11] посвящена эллипсометрическому методу анализа слоистых нанокомпозитных материалов на основе диэлектрической матрицы с распределенными в ней наночастицами из благородных металлов.

В работе [10] рассмотрен метод спектроскопии поверхностного плазмонного резонанса для диагностики тонких пленок. Авторы [3] рассматривают распространение и затухание поверхностных плазмонов в наноком-позитных материалах.

В настоящей работе будет рассмотрено применение спектроскопии поверхностного плазмонного резонанса для диагностики тонких пленок полупроводниковых материалов с применением световой волны круговой поляризации.

Постановка задачи

На систему, состоящую из призмы и системы слоев падает плоская гармоническая световая волна круговой поляризации (рис. 1). Методом спектроскопии поверхностного плазмонного резонанса [10] провести сравнительный расчет интенсивности и эллипсометрических параметров отраженного света в двух случаях: 1 – слой с полупроводниковым материалом отсутствует; 2 – в присутствии этого слоя. Для расчета выбраны следующие параметры: диэлектрическая проницаемость слоя серебра для длины волны света λ = 0,633μ равна ε = –18,2 + 0,5 i ; толщина слоя металла d = 0,05μ; диэлектрические проницаемости полупроводников для длины волны света λ = 0,633μ равны ε₁ = 15,68 для InSb и ε₂ =10,9 для GaAs. Толщины полупроводниковых слоев выбраны равными d_a = 10 nm.

Рис. 1. Схема Кречмана в спектроскопии поверхностного плазмонного резонанса: 1 – призма; 2 – металлический слой; 3 – слой полупроводникового материала; 4 – воздух

Методы решения

Результаты исследования

Задача решается с использованием метода характеристических матриц [10] и метода спектроскопии поверхностного плазмонного резонанса. В первом случае исследуемый слой полупроводникового материала исключается из общей характеристической матрицы слоистой системы, а во втором, наоборот, включается. В результате в соответствии с методом спектроскопии поверхностного плазмонного резонанса, мы получаем резко выделенные пички минимумов в оптических откликах, что и позволяет диагностировать исследуемые тонкие полупроводниковые слои.

На рисунках 2–5 представлены результаты исследования.

В качестве металлического слоя в схеме Кречмана использовано серебро с диэлектрической проницаемостью на длине волны падающего света λ = 0,633μ равна ε = –18,2 + 0,5 i .

Анализ полученных результатов

Из приведенных графиков видно, что наблюдаются весьма выраженные минимумы в угловых спектрах эллипсометрических параметров ρ и Δ для случаев отсутствия и при-

Рис. 2. Угловые спектры эллипсометрического параметра ρ для InSb: moR – без слоя 3; moRa – со слоем полупроводникового материала 3

Рис. 3. Угловые спектры эллипсометрического параметра Δ для InSb: anR – без слоя 3; anRa – со слоем полупроводникового материала 3

сутствия исследуемого слоя. Необходимо подчеркнуть, что речь идет о расширении традиционного метода спектроскопии поверхностного плазмонного резонанса – исследуются минимумы эллипсометрических параметров, а не энергетические коэффициенты отражения. Анализ показывает, что в случае InSb-слоя характерные минимумы в угловых спектрах эллипсометрического параметра ρ отстоят друг от друга на 6,1°. Различия в минимумах для эллипсометрического параметра Δ составляют 6,8°. Для случая GaAs эти различия имеют следующие значения: для параметра ρ раз- ность составляет 3,55°, для параметра Δ разность равна 3,90°. Проведенный анализ показывает высокую эффективность расширенного метода спектроскопии поверхностного плазмонного резонанса для диагностики тонких слоев полупроводниковых материалов.