ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКОГО РИСУНКА НА ПОВЕРХНОСТИ АМОРФНЫХ ТОНКИХ ПЛЕНОК ФАЗОПЕРЕМЕННЫХ ХАЛЬКОГЕНИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2024 года по МПК G02F1/00 

Изобретение относится к оптоэлектронике, интегральной оптике, фотонике и лазерным технологиям, в частности к оптическим устройствам переключения (записи/стирания) микроразмерного периодического рисунка на поверхности фазопеременных халькогенидных материалов (ФХМ) с помощью фемтосекундных лазерных импульсов и тонкопленочного резистивного нагревательного микроэлемента.

Предлагаемое устройство может применяться для оптической многоуровневой модуляции света в видимом и инфракрасном диапазонах длин волн, в частности для управления формой и направлением распространения прошедшего/отраженного светового сигнала за счет записи/стирания двухфазных периодических микроструктур на поверхности ФХМ. Разработка оптических схем пространственной модуляции света на основе предлагаемого устройства перспективна для оптических устройств отображения/хранения информации, а также телекоммуникационных и информационных систем различного назначения.

В переключающих оптических устройствах на основе фазопеременных халькогенидных материалов процессы удаления периодического рисунка с поверхности ФХМ основаны либо на внешнем термическом отжиге данного материала, либо на облучении поверхности ФХМ непрерывным или импульсным лазерным излучением. В перечисленных случаях для реализации процессов переключения (стирания/перезаписи) необходимо применение громоздких внешних устройств, таких как нагревательный стол с возможностью проведения процессов отжига в инертной атмосфере и сложная лазерная система. Кроме того, использование лазерного излучения для стирания периодического рисунка, сформированного на большой площади, требует использования достаточно больших мощностей, равномерного распределения интенсивности светового пучка и непрерывного контроля фокусировки лазерного излучения, что значительно увеличивает стоимость устройства. Переключение периодического рисунка на поверхности пленок фазопеременных халькогенидных материалов в альтернативных оптических устройствах может быть реализовано за счет применения внешнего тонкопленочного резистивного микронагревателя.

Известно оптическое устройство, позволяющее осуществлять оптическую модуляцию света, принцип работы которого заключается в переключении периодического рисунка (дифракционной решетки) в процессе термического или лазерного отжига. Периодический рисунок сформирован на кремниевой подложке путем имплантации различных ионов через фоточувствительную поверхностную маску [1]. Сначала в результате имплантации происходит аморфизация монокристаллической кремниевой подложки, что приводит к возникновению оптического контраста вследствие различия показателей преломления модифицированной и немодифицированной областей. Последующий отжиг приводит к диффузионной разгонке примеси, вследствие чего контраст показателей преломления исчезает. В зависимости от материала подложки (Si, GaAs, кремний на изоляторе (КНИ), аморфные стекла) и желаемой величины оптического контраста в качестве имплантируемых ионов могут использоваться элементы IV группы (к примеру, для подложек Si) или элементы III и V групп (к примеру, для подложек GaAs). Формирование и удаление дифракционных решеток проводится с применением процессов, совместимых с КМОП-технологией изготовления изделий микро- и наноэлектроники.

Данное устройство имеет ряд недостатков. Во-первых, для достижения желаемого оптического контраста необходимо подбирать легирующую примесь таким образом, чтобы избежать или минимизировать процессы самодиффузии примеси вглубь подложки, что неизбежно повлечет ухудшение оптического контраста и размытие профиля дифракционной решетки. Во-вторых, в процессе ионной имплантации подложка нагревается за счет ионной бомбардировки, что может привести к нежелательному эффекту самоотжига, который также приводит к снижению контраста между легированными и нелегированными областями. Стоит отметить, что толщина имплантированного (аморфизованного) слоя зависит от глубины проникновения имплантируемых ионов легирующей примеси. Глубина проникновения легирующей примеси тем выше, чем выше доза облучения, причем, чем тяжелее ион, тем глубже он проникнет вглубь подложки. Таким образом, для проникновения легких ионов на ту же глубину, что и тяжелых, необходимо увеличивать дозу облучения, что также приведет к повышению температуры подложки и повысит риск ее самоотжига. Возможность протекания процессов самодиффузии и самоотжига ограничивает функциональные возможности и области применения данного оптического устройства, а также усложняет процесс его изготовления. В-третьих, несмотря на то, что после стирания дифракционная решетка может быть записана вновь, оптические свойства подложки в модифицированной ранее области будут отличны от исходной не имплантированной области. Кроме того потребуется проведение дополнительных фотолитографических процессов для формирования новой маски, через которую будет выполняться ионная имплантация. Таким образом, в случае повторного формирования дифракционного элемента в области стирания, параметры процесса имплантации необходимо корректировать по сравнению с параметрами, необходимыми для модификации исходного материала.

Другой известный аналог оптического устройства переключения периодического дифракционного рисунка, в том числе на основе ФХМ, представляет собой масштабируемую многослойную оптоэлектронную структуру, включающую резистивный нагревательный элемент, с помощью которого осуществляется электрическое переключение функциональной области слоя ФХМ (Ge₂Sb₂Te₅), и периодической поверхности (метаповерхности), выполненной из наностолбиков Аи [2]. Данное устройство позволяет осуществлять оптическую модуляцию отраженного сигнала в ближнем ИК диапазоне.

Данное оптическое устройство имеет ряд недостатков. Во-первых, периодический рисунок не является перезаписываемым, поскольку сформирован из наностолбиков Аи, а не в слое ФХМ, следовательно, модуляция отраженного оптического сигнала происходит только за счет изменения фазового состояния материала ФХМ, а модуляция за счет изменения геометрии периодического рисунка невозможна. Во-вторых, функциональная область данного устройства имеет сложную многослойную структуру, к каждому из слоев которой предъявляются строгие требования по толщине. Отклонение от необходимой толщины приведет к изменению величины распространяющегося теплового фронта, что, в свою очередь, повлияет на качество переключения коэффициента отражения, т.е. на изменение оптического контраста. В-третьих, в составе многослойной структуры функциональной области присутствуют слои, выполненные из материалов HfO₂ и Al₂O₃, формируемые методом атомно-слоевой эпитаксии, который является дорогостоящим и низко производительным методом. Кроме того, для формирования однородных атомарно гладких и бездефектных слоев необходимо использовать в процессе роста прекурсоры сверхвысокой чистоты, поскольку наличие даже незначительного количества примеси неизбежно влияет на качество и скорость формируемых слоев.

Наиболее близким по технической сути и результату, достижение которого обеспечивает заявленное оптическое устройство, является известное ранее оптическое устройство на основе ФХМ, принцип работы которого заключается в переключении функциональной области ФХМ с помощью металлического резистивного нагревательного элемента, вследствие чего меняется отражательная способность функциональной области [3]. Функциональная область представляет собой многослойную структуру, включающую три основных элемента: металлический отражатель, оптически прозрачный теплопроводящий слой и слой ФХМ. Для ФХМ характерно не менее двух обратимо переключаемых состояния, различающихся показателем преломления и поглощением. Отражатель, прозрачный слой и слой ФХМ расположены последовательно друг над другом. Функциональная область расположена на металлическом нагревательном элементе, на который подается напряжение для разогрева ФХМ, переключения его фазового состояния и, следовательно, обратимого изменения оптических характеристик.

Данное изобретение имеет несколько недостатков. Во-первых, нагреватель, используемый в данном устройстве, имеет прямоугольную форму, неоптимальную с позиции локализации теплового потока, что может сказаться на энергопотреблении всего устройства. Во-вторых, данное устройство предназначено, преимущественно, для применения в области дисплейных технологий с целью формирования/отображения изображения в отраженном оптическом сигнале. Осуществить оптическую модуляцию светового сигнала с помощью такого устройства не представляется возможным.

Задача изобретения заключается в создании оптического устройства, обеспечивающего модуляцию оптического сигнала за счет дифракции света на периодическом рисунке, формируемом на поверхности фазопеременных халькогенидных пленок с помощью пучка ультракоротких лазерных импульсов и переключаемом импульсами электрического тока.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в предлагаемом устройстве формирование двухфазных аморфно-кристаллических дифракционных решеток происходит вследствие сканирования поверхности фазопеременного халькогенидного материала пучком ультракоротких импульсов фемто- и пикосекундной длительности (по запатентованному нами ранее способу [4]), а их стирание реализуется за счет подачи электрического напряжения на тонкопленочной резистивный микронагреватель оптимизированной формы, расположенный под слоем с дифракционным рисунком. Изобретение базируется на двух физических явлениях: 1) выделении джоулева тепла микронагревателем при протекании через него электрического тока; 2) поглощении тепла, выделенного микронагревателем, фазопеременным халькогенидным материалом, вследствие чего материал разогревается до температуры выше температуры фазового перехода.

Принцип работы устройства заключается в записи периодического рисунка на поверхности аморфных тонких пленок ФХМ с помощью локального лазерного воздействия фемтосекундными импульсами и его стирания импульсами электрического тока с амплитудой от 1 до 3 В (при напряженности электрического поля Е=10³÷10⁵ В/м) и длительностью от 100 мкс до 500 мс, подаваемыми на тонкопленочный металлический резистивный микронагреватель и приводящими к выделению джоулевого тепла, которое поглощается фазопеременным материалом, расположенным на микронагревателе в самой узкой его части, где достигается максимальная величина плотности тока. В результате поглощения выделившегося тепла функциональная область ФХМ разогревается выше температуры фазового перехода и происходит стирание сформированного периодического рисунка, сопровождающееся изменением оптических характеристик устройства.

Для обеспечения корректного функционирования предлагаемого оптического устройства, обеспечивающего модуляцию отраженного светового сигнала, посредством переключения периодического рисунка, была разработана оптимальная конструкция. Устройство с разработанной оптимальной конструкцией впоследствии была изготовлено и апробировано.

Оптическое устройство включает три элемента - тонкопленочный резистивный микронагреватель (нагревательный элемент), контактные площадки к нему и функциональную область ФХМ (см. Фиг. 1). Нагревательный элемент представляет собой элемент переменной ширины, которая обладает максимальным значением на краях, а по мере движения от края к центру начинает уменьшаться и в центральной области достигает своего минимального значения. Данная геометрия обеспечивает достижение максимальной плотности тока в области расположения ФХМ и, как следствие, локализацию и достижение более высоких температур в центре нагревательного элемента по сравнению с прямоугольной формой.

Длина нагревателя должна быть не более 1500 мкм; ширина не более 400 мкм в самой широкой области и не более 250 мкм в области расположения ФХМ, причем ширина широкой области изменяется пропорционально узкой. Контактные площадки должны быть прямоугольной формы с длиной не более 900 мкм и шириной не более 1000 мкм. В случае, когда геометрические параметры нагревательного элемента и контактных площадок превышают указанные нормы, наблюдается большое тепловое рассеяние и разогрева функциональной области до температур фазового перехода не происходит.

Минимально возможный геометрический размер элементов данного оптического устройства (нагревательного элемента, контактных площадок к нему и функциональной области ФХМ) обеспечивается разрешающей способностью технологического процесса литографии. Применение контактной, проекционной или электронной литографии с разрешающей способностью менее 1 мкм обеспечит формирование элементов с геометрическими размерами менее 500 нм.

Толщина микронагревателя может варьироваться от 30 нм до 1 мкм. Толщина контактных площадок должна обеспечивать надежный электрический контакт с нагревательным элементом и превышать его толщину не менее чем на 20%.

Стираемая функциональная область фазопеременного халькогенидного материала может быть любой геометрической формы, однако для достижения наибольшей эффективности процесса стирания ее размеры не должны превышать размеры узкой области нагревательного элемента. Для предотвращения процессов испарения и деградации функционального фазопеременного халькогенидного материала вследствие температурных воздействий и возможности осуществления многократных процессов записи/стирания, функциональный слой должен быть покрыт слоем защитного прозрачного материала SiO₂ с толщиной 15-30 нм.

Функциональная область изготавливается из ФХМ, в том числе на основе соединений теллуридов германия и сурьмы. Толщина функционального слоя фазопеременного халькогенидного материала может варьироваться в интервале от 10 до 100 нм. При толщине менее 10 нм происходит кластеризация исходной сплошной аморфной пленки в процессе кристаллизации, а формирование слоев толщиной более 100 нм нецелесообразно с точки зрения энергоэффективности процесса переключения.

Нагревательный элемент выполняется из материала с высокой электрической проводимостью и температурой плавления выше температуры плавления ФХМ. Нагревательный элемент для стирания периодического рисунка в устройствах, работающих на отражение, может выполняться из металлов W, Mo, Ni, Au, Pt или Nb на диэлектрической подложке (термически окисленный кремний, стекло, сапфир). Для обеспечения лучшей адгезии микронагревателя с подложкой, осаждение материала микронагревателя проводится на подходящий адгезионный подслой, который может быть изготовлен из Ti, TiN, NiCr, Сг или Та, а также на основе двухслойной системы TiN/Ti. Толщина адгезионного подслоя должна варьироваться от 15 до 300 нм.

Поперечная послойная структура устройства для переключения функциональной области через тонкопленочный резистивный микронагреватель с указанием назначения каждого из слоев представлена на Фиг. 2.

Предлагаемое устройство может работать не только в режиме модуляции отраженного оптического сигнала, но также и в режиме модуляции прошедшего излучения. В таком случае нагревательный элемент для стирания периодического рисунка в устройствах, работающих на пропускание, изготавливается на прозрачной диэлектрической подложке (кварцевые, боросиликатные или фосфатные стекла) из прозрачных проводящих материалов: оксидов In₂O₃, SnO₂, ZnO или CdO с различными легирующими добавками, а также из покрытий на основе углеродных нанотрубок.

Нанесение слоев материалов микронагревателя, контактных площадок и адгезионных подслоев может осуществляться методами магнетронного распыления, вакуумно-термического, электронно-лучевого испарения или другими методами, применяемыми при изготовлении устройств микроэлектроники.

Формирование геометрии микронагревателя, контактных площадок к нему и функционального слоя осуществляется методом контактной литографии.

Отличительной особенностью предлагаемого изобретения является возможность переключения двухфазных аморфно-кристаллических протяженных периодических структур, которые могут выступать, в том числе в качестве дифракционной решетки, с помощью подачи электрического напряжения на тонкопленочный микроразмерный нагревательный элемент с переменной шириной, выполненный на основе экспериментально и технологически подобранных материалов (см. Фиг. 3). Поскольку формируемые дифракционные решетки в функциональной области могут быть стерты и перезаписаны многократно с другими или идентичными параметрами, данное оптическое устройство позволяет контролируемо осуществлять многоуровневую модуляцию света в видимом и инфракрасном диапазоне длин волн, в частности для управления формой и направлением распространения прошедшего/отраженного светового пучка.

Изобретение поясняется представленными фиг. 1, 2 и 3:

фиг. 1 - изображение устройства для переключения функциональной области с помощью тонкопленочного резистивного нагревательного элемента, где: 1 - подожка, 2 - контактные площадки, 3 - тонкопленочный резистивный нагревательный элемент, 4 - функциональная область ФХМ;

фиг. 2 - поперечная структура устройства для переключения функциональной области через тонкопленочный резистивный нагревательный элемент, где: 1 - подложка; 5 - адгезионный подслой; 3 - нагревательный элемент; 4 -функциональная область ФХМ; 6 - защитный слой;

фиг. 3 - оптическое изображение функциональной области, полученное в оптический микроскоп, где: 1) область до переключения, на которой отчетливо видна двухфазная периодическая структура со значительным оптическим контрастом между разными фазами, 2) область после переключения, на которой отчетливо видно исчезновение контраста между линиями двухфазных аморфно-кристаллических периодических структур.

Пример. При подаче электрических импульсов амплитудой 2 В (Е=1,3*10³ В/м) и длительностью 450 мс на тонкопленочный резистивный микронагреватель толщиной 150 нм, длиной 1,5 мм, шириной 250 мкм в центре и 400 мкм на краях, выполненный из Ni с адгезионным подслоем TiN толщиной 50 нм и сформированный на прозрачной стеклянной подложке (Corning glass 1737F), через микронагреватель протекает ток величиной 220 мА. В результате электрического воздействия микронагреватель выделяет 14 мДж тепла, из которых -64 нДж поглощается тонкой пленкой Ge₂Sb₂Te₅ толщиной 10 нм, на которой предварительно под воздействием фемтосекундного лазерного излучения (длина волны 1030 нм, длительность одного импульса 250 фс, частота следования 200 кГц, средняя плотность потока энергии 3 мДж/см) был сформирован периодический рисунок, представляющий собой чередующиеся аморфные и кристаллические полосы с периодом ~ 1 мкм, ориентированные перпендикулярно поляризации записывающего излучения. Поглощение тепла приводит к разогреву функциональной области Ge₂Sb₂Te₅ площадью 0,01 мм² до температуры 220°С и последующей кристаллизации материала, что обуславливает переключение периодического рисунка.

Положительный эффект, достигаемый в предлагаемом по сравнению с прототипом оптическом устройстве, заключается в:

1. Возможности осуществления переключения предварительно сформированного безлитографическим способом периодического рисунка, выступающего, в том числе, в качестве дифракционного элемента, с помощью прямоугольных электрических импульсов тока, протекающих по тонкопленочному резистивному микронагревателю. Данное устройство дополняет изобретение, описанное в [4], и позволяет осуществлять переключение периодического рисунка, обеспечивающее многоуровневую модуляцию оптического отраженного сигнала за счет воспроизводимого изменения оптических характеристик переключаемых двухфазных периодических структур (дифракционных решеток) в результате многократных циклов записи/стирания, что позволяет реализовывать модуляцию параметров света в видимом и инфракрасном диапазоне длин волн, в частности управление формой и направлением распространения светового сигнала. Разработка оптических схем пространственной модуляции света на основе предлагаемого устройства открывает возможность дальнейшего совершенствования оптических устройств отображения/хранения информации, а также телекоммуникационных и информационных систем различного назначения.

2. Оптимизации конструкции нагревательного элемента, представляющего собой микронагреватель переменной ширины, способствующий оптимальному и однородному нагреву в центральной самой узкой части устройства, в которой расположена функциональная область ФХМ, что повышает его энергоэффективность. Данное устройство позволяет осуществлять модуляцию оптического сигнала за счет дифракции света на периодическом рисунке и в зависимости от материала, из которого изготавливается нагревательный элемент, с его помощью можно управлять параметрами как отраженного, так и прошедшего оптического сигнала. В процессе изготовления уменьшается количество сложных технологических операций, к примеру, исключается процесс ионной имплантации, что упрощает процесс создания данных устройств в промышленном масштабе.

Вышеперечисленные положительные эффекты обуславливают решение поставленной технической задачи и приводят к достижению желаемого результата.

Источники информации:

1. Патент US 8380027 В2 «Erasable Ion implanted optical couplers»;

2. Sajjad Abdollahramezani, Omid Hemmatyar, Mohammad Taghinejad, Hossein Taghinejad, Alex Krasnok, Ali A. Eftekhar, Christian Teichrib, Sanchit Deshmukh, Mostafa A. El-Sayed, Eric Pop, Matthias Wuttig, Andrea Alu, Wenshan Cai & Ali Adibi (2022). Electrically driven reprogrammable phase-change metasurface reaching 80% efficiency. Nature communications 13 (1696), 1-11. doi:10.1038/s41467-022-29374-6;

3. Патент US 11215852B2 «Optical device with thermally switching phase change material» - прототип.

4. Патент РФ 2786788 «Способ формирования периодического рисунка на поверхности аморфных тонких пленок фазопеременных халькогенидных материалов».

Использование: для переключения периодического рисунка на поверхности аморфных тонких пленок фазопеременных халькогенидных материалов. Сущность изобретения заключается в том, что оптическое устройство для переключения периодического рисунка на поверхности аморфных тонких пленок фазопеременных халькогенидных материалов включает резистивный нагревательный элемент - микронагреватель, при этом микронагреватель имеет форму переменной ширины, на краях которого ширина имеет максимальное значение не более 400 мкм, а по мере удаления от края к центру начинает уменьшаться и в центральной области, где размещается тонкая пленка фазопеременного халькогенидного материала толщиной от 10 до 100 нм и площадью не более 0,01 мм², достигает своего минимального значения не более 250 мкм, причем ширина узкой области меняется пропорционально широкой. Технический результат - обеспечение возможности модуляции оптического сигнала за счет дифракции света на периодическом рисунке, формируемом на поверхности фазопеременных халькогенидных пленок с помощью пучка ультракоротких лазерных импульсов. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Оптическое устройство для переключения периодического рисунка на поверхности аморфных тонких пленок фазопеременных халькогенидных материалов, включающее резистивный нагревательный элемент - микронагреватель, отличающееся тем, что микронагреватель имеет форму переменной ширины, на краях которого ширина имеет максимальное значение не более 400 мкм, а по мере удаления от края к центру начинает уменьшаться и в центральной области, где размещается тонкая пленка фазопеременного халькогенидного материала толщиной от 10 до 100 нм и площадью не более 0,01 мм², достигает своего минимального значения не более 250 мкм, причем ширина узкой области меняется пропорционально широкой.

2. Оптическое устройство для переключения периодического рисунка на поверхности аморфных тонких пленок фазопеременных халькогенидных материалов по п. 1, используемое для оптической модуляции отраженного сигнала, в котором нагревательный элемент - микронагреватель, и контактные площадки к нему выполнены из металлов W, Mo, Ni, Au, Pt, или Nb с адгезионными подслоями из Ti, TiN, NiCr, Сг, Та, а также на основе двухслойной системы TiN/Ti на диэлектрической подложке - термически окисленный кремний, стекло, сапфир.

3. Оптическое устройство для переключения периодического рисунка на поверхности аморфных тонких пленок фазопеременных халькогенидных материалов по п. 1, используемое для модуляции прошедшего сигнала, в котором нагревательный элемент - микронагреватель, и контактные площадки к нему выполнены из прозрачных проводящих материалов: оксидов In₂O₃, SnO₂, ZnO или CdO с легирующими добавками, а также из покрытий на основе углеродных нанотрубок, сформированных на прозрачной диэлектрической подложке - кварцевые, боросиликатные или фосфатные стекла.

4. Оптическое устройство для переключения периодического рисунка на поверхности аморфных тонких пленок фазопеременных халькогенидных материалов по п. 1, в котором фазопеременный халькогенидный материал выполнен из материалов системы Ge-Sb-Te, в частности из тонких пленок Ge₂Sb₂Te₅, GeTe или Sb₂Te₃.