Hình 2.6 cho thấy thời gian và độ lớn của mật độ dòng điện quyết định độ dày và độ xốp của lớp silic xốp sau khi điện hóa. Khi áp dụng mật độ dòng theo thời gian (đồ thị bên trái), các lớp silic xốp được hình thành tương ứng (hình vẽ bên phải). Một thời gian ngắn được thiết lập (với mật độ dòng bằng 0) để nồng độ HF cân bằng trong suốt các lỗ xốp và ngăn ngừa sự hình thành của gradient độ xốp không mong muốn.
Buồng vi cộng hưởng 1D được tạo ra bằng cách: đầu tiên ăn mòn để tạo ra một màng đa lớp hay là gương phản xạ Bragg (DBR) ở phía trên với độ dài quang học của mỗi lớp là λ/4, các lớp có chiết suất cao và thấp xen kẽ nhau, sau đó ăn mòn một lớp khuyết tật với độ dài quang học bằng λ/2 với chiết suất bằng chiết suất của lớp có độ xốp cao (tương ứng với chiết suất thấp) và cuối cùng ăn mòn để tạo ra một DBR ở phía dưới với các điều kiện giống như DBR đã chế tạo ở bên trên. Chi tiết các điều kiện ăn mòn điện hóa được cung cấp trong bảng 2.1. Mỗi chu kỳ bao gồm một lớp có độ xốp thấp và một lớp có độ xốp cao, do đó một nửa chu kỳ có nghĩa là chế tạo thêm một lớp có độ xốp thấp.
Bảng 2.1. Các điều kiện ăn mòn để chế tạo buồng vi cộng hưởng 1D Mô tả Mật độ dòng (mA/cm2) Thời gian (s) Gương trên
(N, 5 chu kỳ)
15 5.555
50 2.857
Lớp khuyết tật 50 5.714
Gương dưới (N+1 chu kỳ) 15 5.555
50 2.857
Có hai yếu tố cơ bản để có thể thiết kế cấu trúc vi cộng hưởng quang tử một chiều có chỉ số Q-factor cao dựa trên màng silic xốp đa lớp chế tạo bằng phương pháp ăn mòn điện hóa phiến silic:
Thứ nhất, độ tương phản chiết suất ở tất cả các bề mặt phải là cao nhất. Do đó, lớp đầu tiên của DBR phía trên là có độ xốp thấp (chiết suất cao) bởi vì lớp này gần với không khí (là môi trường có chiết suất thấp) và lớp cuối cùng của gương phía dưới phải có độ xốp cao (tương ứng với chiết suất thấp) bởi vì lớp này sát với đế silic (là môi trường có chiết suất cao). Hơn nữa, lớp khuyết tật của vi hốc cộng hưởng luôn luôn được chọn là lớp có độ xốp cao để tăng khả năng thâm nhập của các loại vật liệu khác vào lỗ xốp (như các tâm phát xạ: ion đất hiếm, tâm màu, chấm lượng tử bán dẫn..v.v.) vì vậy các lớp của DBR trên và dưới sát với lớp khuyết tật phải có độ xốp thấp (chiết suất cao). Đây là lý do vì sao DBR bên trên lại được chọn lẻ nửa chu kỳ (N,5 chu kỳ).
Thứ hai là DBR trên và dưới phải có độ phản xạ như nhau để có được triệt tiêu hoàn toàn ở bước sóng giao thoa (bước sóng cộng hưởng). Do đó, DBR ở phía dưới có nhiều chu kỳ hơn DBR ở phía trên để bù vào mất mát như một hàm của chiều sâu trong silic.
Các cấu trúc tinh thể quang tử 1D và vi cộng hưởng quang tử 1D sau khi chế tạo được đo phổ phản xạ thông qua Varian Cary 5000, USB 4000 và đo vi hình thái thông qua ảnh FE-SEM của máy S-4800.
2.1.2.2. Chế tạo cấu trúc silic xốp đơn lớp
Hình 2.7 trình bày sơ đồ của một cấu trúc silic xốp đơn lớp tương ứng phổ phản xạ của các cấu trúc. Bước sóng cộng hưởng thay đổi rất nhanh và phụ thuộc lớn vào độ dày lớp silic xốp. Khi độ dày của lớp cấu trúc silic xốp tăng lên sẽ dẫn tới nhiều bước sóng mà photon được phép truyền qua.
Hình 2.7 (a) Sơ đồ minh họa cấu trúc đơn lớp
(b) Phổ phản xạ mô phỏng cấu trúc đơn lớp
Cấu trúc silic xốp đơn lớp do chúng tôi chế tạo được xuất phát từ đế silic loại p+ trong dung dịch axit HF 16% (dung dịch của axit HF và cồn tuyệt đối). Các đế silic p+ cho hình thái của silic xốp tốt nhất, phù hợp với yêu cầu để chế tạo bằng phương pháp ăn mòn điện hóa. Kích thước của lỗ xốp đủ rộng để cho phép các chất thâm nhập vào nhưng đủ nhỏ để cho phép silic xốp là một môi trường hiệu dụng trong vùng ánh sáng nhìn thấy và vùng hồng ngoại. Nồng độ HF được sử dụng trong quá trình điện hóa là 16% được lựa chọn bởi vì nó cho phép tạo ra một dải rộng của các giá trị chiết suất của các lớp xốp.
Cấu trúc silic xốp có thể được tạo ra bởi vì quá trình hòa tan của silic được ưu tiên xảy ra ở các đỉnh lỗ nơi môi trường là đậm đặc nhất như được mô tả trong hình 2.8. Đế silic Cấu trúc silic xốp Bước sóng (nm) Đ ộ ph ản x ạ (R )