Явления усиления сигнала фотолюминесценции наноостровков Ge(Si) в фотонных кристаллах

В работе исследованы люминесцентные свойства фотонных кристаллов (ФК) и фотоннокристаллических резонаторов, сформированных на кремниевых структурах с самоформирующимисянаноостровками Ge(Si). Интерес к таким структурам с вызван с одной стороны - их излучательнойспособностью в диапазоне длин волн 1.2 – 1.6 мкм, с другой – совместимостью со стандартнымиКМОП технологиями, что делает их перспективными для схем кремниевой оптоэлектроники. Вданной работе рассмотрены возможности управления излучательными свойствами таких структур вфотонных кристаллах и ФК резонаторах за счет эффектов взаимодействия активной среды срезонансными и радиационными модами фотонного кристалла.Фотонные кристаллы и ФК резонаторы с линейной (L3) геометрией дефекта формировались намногослойной структуре, содержащей 5 слоев наноостровков Ge(Si), выращенных на подложках SOI.Выращенная многослойная структура представляла собой планарный одномодовый волноводтолщиной 250 нм. Методами электронно-лучевой литографии и плазмохимического травления вструктуре формировались фотонные кристаллы с периодом решетки (a), варьируемым в интервале от350 до 800 нм. Радиус отверстий ФК (r) определялся соотношением r/a = 0.2 0.4. Резонаторыформировались пропуском 3-х ближайших отверстий фотонного кристалла.Результаты исследований, полученные методом микро-ФЛ с высоким пространственным (до 2мкм) и спектральным (> 0.05 см-1) разрешением, показывают наличие в таких структурахзначительного (более чем на порядок величины) усиления сигнала ФЛ наноостровков Ge(Si) прикомнатной температуре. В зависимости от параметров ФК в структурах наблюдаются как явленияусиления на резонансных модах ФК резонатора, так и на радиационных модах ФК. Усиление сигналаФЛ на оптически активных модах фотонно-кристаллического резонатора наблюдается в резонаторахс периодом решетки ФК, не превышающим 500 нм, и имеет место при условии прецизионнойфокусировки лазерного луча в области резонатора. В ФК и ФК резонаторах с периодом решеткиболее 500 нм наблюдаемое усиление сигнала ФЛ не зависит от области возбуждения и обусловленоявлениями взаимодействия оптически активной среды с радиационными модами ФК. В условияхусиления на радиационных модах наблюдается как значительное увеличение сигнала ФЛ вмаксимуме интенсивности, так и значительный (вплоть до порядка величины) рост интегральнойинтенсивности сигнала ФЛ.Полученные экспериментальные результаты хорошо описываются в рамках теоретическихмоделей, позволяющих проанализировать зонную структуру исследованных ФК и особенностимодового состава ФК резонаторов. Моделирование проводилось методом матрицы рассеяния иметодом конечных элементов (FEM) с использованием программного пакета COMSOL Multiphysics