Fabrication and characterization of macroporous silicon

Abstract

Makroporöses Silizium wird mit Hilfe eines photoelektrochemischen Ätzverfahrens hergestellt. Dabei kann die Porenform in allen drei Dimensionen gesteuert werden. In Kombination mit dem Verfahren der Atomlagenabscheidung (ALD) konnte diese flexible Herstellungsmethode für Template genutzt werden, um Mikrostrukturen sowie hochporöse Netzwerkstrukturen in andere Materialien abzuformen. Der Hauptteil dieser Arbeit beschäftigt sich jedoch mit der Anwendung von makroporösem Silizium als photonischer Kristall. Dazu wurde der Ätzprozess auf Gitterabstände im Submikrometerbereich übertragen und die Abhängigkeit einzelner Parameter auf die Porenform detailliert untersucht. Mit Hilfe von speziell an das Problem angepassten Modellrechnungen konnte ein optimaler Parametersatz für das Ätzen von Strukturen mit einem Porenabstand von 700 nm erhalten werden. Darüber hinaus wurde ein dreidimensional strukturierter photonischer Kristall mit einem Stoppband bei einer Wellenlänge von 1.5 µm realisiert. Für die optische Charakterisierung wurden die Dispersionseigenschaften photonischer Kristalle betrachtet. Die Berechnung und Auswertung der Dispersionsrelation einer dreidimensional modulierten und experimentell realisierten Probe ergab, dass solch ein photonischer Kristall in der Lage ist, Licht im Sinne des Brechungsgesetzes negativ zu brechen. Für den experimentellen Nachweis der Brechungseigenschaften von photonischen Kristallen wurde ein Experiment realisiert, welches aus dem vom photonischen Kristall induzierten Strahlversatz in Transmission auf dessen Dispersionseigenschaften zurück schlussfolgern lässt. Insbesondere konnte die Eigenschaft der negativen Brechung an einem dreidimensionalen photonischen Kristall in Übereinstimmung mit der Theorie nachgewiesen werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass sich die Dispersionseigenschaften gezielt nutzen lassen, um photonische Anwendungen wie z.B. spektroskopische oder brechungskompensierende Strukturen zu realisieren.

Macroporous silicon is fabricated via a photo-assisted electrochemical etching process. It is a flexible method for preparing ordered porous structures within two or even three dimensions. For applications in materials science it was shown that in combination with atomic layer deposition the shape of such templates can be reproduced into different materials. The main focus of the work was the application of macroporous silicon as a photonic crystal. For this purpose the etching process was transferred to sub-micrometer lattice constants. Due to physical limits the obtained pore shape and homogeneity is very sensitive on material parameters. With the help of theoretical calculations an optimized set of parameters was found for a lattice constant of 700 nm. Furthermore, a three-dimensional photonic crystal was realized having a stop band at a wavelength of 1.5 µm. For the optical characterization of photonic crystals their dispersion properties were studied. The dispersion relation of a three-dimensional photonic crystal made of macroporous silicon was calculated. The analysis showed that such a photonic crystal can be used to refract light negatively in terms of Snell's law. As an experimental proof of the refraction properties an experiment was designed which is capable of measuring the beam shift induced by the photonic crystal for transmitted light. This beam shift is determined by the refraction properties of the photonic crystal. With this setup the negative refraction could be experimentally verified in close agreement with the theoretical findings. Furthermore, it was shown that the dispersion properties of the photonic crystal can be used to realize photonic applications as for example spectroscopic or refraction-compensating devices.