Halbleiter-Bragg-Spiegeln. Eine neue Methode zur Metrologie von Dünn- und Vielschichtsystemen

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1 1 in Halbleiter-Bragg-Spiegeln Eine neue Methode zur Metrologie von Dünn- und Vielschichtsystemen F., O. Ristow, T. Dekorsy Universität Konstanz, Center for Applied Photonics, Konstanz, Germany

2 2 Gliederung Motivation für die Untersuchung von Bragg-Spiegeln Motivation für die als Methode zur Strukturanalyse Anrege-Abfrage-Setup für die Datenerhebung Analyse und Interpretation von kohärenten akustischen Phononen für den NIR-Bereich Zusammenfassung

3 3 Motivation: Bragg-Spiegel Struktur Heterostruktur von Halbleiterschichten der Dicke λ/4, z.b. GaAs/Al(Ga)As Grundlegender Bestandteil von Semiconductor Saturable Absorber Mirrors (SESAMs) [1] Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs) [2] Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers (VECSELs) [3] Wissenschaftliche Interessen Größeres Verständnis für Alterungsprozesse Größeres Verständnis für Hitzeeinwirkungen Größeres Verständnis für Beschädigungen SESAM VCSEL [1] Keller et al, Nature 424, 838 (1996) [2] Jewell et al, IEEE J. Quantum Electron. 27 (6), 1332 (1991) [3] Zakharian, Appl. Phys. Lett. 83 (7), 1313 (2003)

4 [4] Colvard et al, Phys. Rev. B 31 (4) 2080 (1985) [6] Gebs et al, Opt. Express 18 (6), 5974 (2010) Abstand von Waferkante (mm) [5] Mizogushi, Physica B 263, 48 (1999) [7] Bruchhausen et al, J. Appl. Phys. 112, (2012) 4 Motivation: Messung akustischer Phononen Methoden zur Strukturanalyse im nm-bereich Röntgenspektroskopie Transmissions-Elektronen-Mikroskopie: Vakuum, invasiv Optische Spektroskopie Raman-Spektroskopie [4] Anrege-Abfrage-Spektroskopie [5] rein optische Methode nicht invasiv kompaktes Setup laterale Auflösung ~ 2 µm Abrastern der Probe [6] Genauigkeit bis zu 0,1 % gezeigt für Quanten-Kaskaden-Lasern [7] Frequenz (THz) [6]

5 5 Motivation: Strukturanalyse durch bereits etabliert für Bragg-Spiegel im EUV, z.b. Si/Mo Übergitter, d ÜG < 10 nm [6, 8] auch anwendbar für Bragg Spiegel im NIR, d.h. lang periodische Übergitter, d ÜG > 150 nm? AlAs ~ 84.7 nm GaAs ~ 71.2 nm d ÜG [6] Gebs et al, Opt. Express 18 (6), 5974 (2010) [8] Pu and Bokor, PRL 91 (7), (2003)

6 6 Setup für die Messung kohärenter akustischer Phononen Pump-Probe-Setup mit Asynchronous Optical Sampling (ASOPS) [9] Zwei Laser für Anrege- und Abfrage-Strahl Zwei-Farben-Experimente möglich Zeitversatz über Frequenz-Offset sehr kurze Messzeiten (Minuten) Anregepuls 1/f R Antwort der Probe Abfragepuls Δτ Zeit Messsignal 1/Δf [9] Bartels et al, Rev. Sci. Instrum. 78 (3), (2007)

7 7 Kohärente akustische Phononen in Übergittern Zurückgefaltete Dispersionsrelation basierend auf dem Rytov-Model [10] Sichtbare Moden: Zentrum der Brillouin-Zone 2q probe (rückgefaltet [11]) Frequenz-Triplets [10] Jusserand and Cardona, Light scattering in solids V, pp.49 (1989) [11] Mizogushi et al, Physica E 21, 646 (2004)

8 8 Kohärente akustische Phononen in NIR-Bragg-Spiegeln Zeitaufgelöste Reflektivitätstransiente [11] Mizogushi et al, Physica E 21, 646 (2004)

9 9 Kohärente akustische Phononen in NIR-Bragg-Spiegeln Phononfrequenzen durch Fourier-Transformation der Zeittransiente Sichtbare Moden: Zentrum der Brillouin-Zone und 2q probe (rückgefaltet [11]) Große Übergitterkonstante Frequenzen äquidistant Bestimmung der Schichtdicke durch Vergleich der gemessenen und berechneten Phonondispersion Hohe Genauigkeit durch sichtbare Moden bis zur 21. Ordnung [11] Mizogushi et al, Physica E 21, 646 (2004)

10 10 Kohärente akustische Phononen in NIR-Bragg-Spiegeln Strukturanalyse Herstellerangaben Übergitterkonstante durch Phononspektroskopie 157 nm 159 nm Frequenzauflösung: 1 GHz Auflösung Übergitterkonstante 1 nm [11] Mizogushi et al, Physica E 21, 646 (2004)

11 11 Kohärente akustische Phononen in NIR-Bragg-Spiegeln Phononspektroskopie an unterschiedlich ausgeheilten Bragg-Spiegeln Sample durch Phononspektroskopie Herstellerangaben Übergitterkonstante Kein RTA 157 nm 159 nm RTA 450 C 157 nm RTA 650 C 157 nm RTA 700 C 157 nm

12 12 Kohärente akustische Phononen in NIR-Bragg-Spiegeln Phononspektroskopie an unterschiedlich ausgeheilten Bragg-Spiegeln durch Röntgenspektroskopie Übergitterkonstante Sample durch Phononspektroskopie Herstellerangaben Kein RTA 157 nm 159 nm 156 nm RTA 450 C 157 nm 156 nm RTA 650 C 157 nm 156 nm RTA 700 C 157 nm 156 nm

13 [12] N. Krauß, T. Dekorsy, Photonik 1/2014, S. 26, 2014 [13] M. Grossmann et al., Phys. Rev B 88(20), S , 2013 [14] M. Hettich et al., APL 101(19), S , Zusammenfassung Strukturanalyse von lang-periodischen Halbleiter-Bragg-Spiegeln durch zeitaufgelöste Laserspektroskopie nicht-invasive Methode schnelle Messzeiten (Minuten) hohe Präzision (bis zu sub-nm) Weitere Anwendungsmöglichkeiten Vermessung von Quanten-Kaskaden-Lasern und EUV-Spiegeln [12] Charakterisierung von Halbleitermembranen [13] Adhesionseigenschaften / Polymerschichten [14] Neue, präzise Methode zur Metrologie von Dünn- und Vielschichtsystemen Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

14 14 Kohärente akustische Phononen in NIR-Bragg-Spiegeln Phononspektroskopie an unterschiedlich ausgeheilten Bragg-Spiegeln Trotz Ausheilprozess auch hochfrequente Phononmoden sichtbar Keine offensichtliche Frequenzverschiebung durch Ausheilprozess Keine großen Strukturveränderungen durch Ausheilprozess Bestätigung durch Röntgenspektroskopie: identische d ÜG

15 15 Kohärente akustische Phononen in NIR-Bragg-Spiegeln Phononspektroskopie an unterschiedlich ausgeheilten Bragg-Spiegeln Mode des Zentrums der 1. BZ: Rotverschiebung durch Ausheilen Hinweis für As-Diffusion durch Ausheilen? 1 GHz

16 16 Reflectivity spectra of GaAs/AlAs Bragg mirrors Static reflectivity with Fourier-Transform-Infrared-Spectrometer (FTIR) Huge changes outside the stopband, stratching Changes in reflectivity due to annealing Redshift Blueshift

17 17 Reflectivity spectra of GaAs/AlAs Bragg mirrors Static reflectivity with Fourier-Transform-Infrared-Spectrometer (FTIR) Huge changes outside the stopband, stratching Changes in reflectivity due to annealing

18 18 Reflectivity spectra of GaAs/AlAs Bragg mirrors Static reflectivity with Fourier-Transform-Infrared-Spectrometer (FTIR) Huge changes outside the stopband, stratching Changes in reflectivity due to annealing

19 19 Reflectivity spectra of GaAs/AlAs Bragg mirrors Static reflectivity with Fourier-Transform-Infrared-Spectrometer (FTIR) Huge changes outside the stopband, stratching Changes in reflectivity due to annealing Blueshift Blueshift

20 20 Reflectivity spectra of GaAs/AlAs Bragg mirrors Static reflectivity with Fourier-Transform-Infrared-Spectrometer (FTIR) Huge changes outside the stopband, stratching Changes in reflectivity due to annealing Blueshift Blueshift Redshift