2
x
МАТЕРИАЛ ДЛЯ КОНВЕРСИИ ВАКУУМНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ИЗЛУЧЕНИЕ ВИДИМОГО ДИАПАЗОНА В ВИДЕ АМОРФНОЙ ПЛЕНКИ ОКСИДА КРЕМНИЯ SiOS НА КРЕМНИЕВОЙ ПОДЛОЖКЕ
2
x
MATERIAL FOR CONVERSION OF VACUUM ULTRAVIOLET RADIATION INTO VISIBLE RANGE RADIATION IN FORM OF AMORPHOUS FILM OF SILICON OXIDE SiOS ON SILICON SUBSTRATE

2
X
Изобретение относится к люминесцентным материалам для конверсии вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона в виде аморфной пленки оксида кремния SiOS на кремниевой подложке, предназначенным для создания функциональных элементов фотонных приборов нового поколения, для использования в фотосенсорике, солнечной энергетике, авиационно-космическом приборостроении, в частности для энергообеспечения систем навигации и управления беспилотных летательных аппаратов, а также для контроля жесткого ультрафиолетового излучения в вакуумных технологических процессах, например, при изготовлении микросхем по 32-нанометровой и более «тонким» технологиям.
2
3
2
2
3
2
2
3
Известны [ЖТФ, 2012, т. 82, вып. 2, стр. 153-155] свойства люминесцентных материалов на основе (CaO·0,5AlO·5SiO):Eu и (CaO·0,2AlO·SiO):Eu с добавкой BO в количестве 3 вес.%, позволяющие использовать их в качестве материалов для конверсии ближнего ультрафиолетового излучения (пик излучения 3,2 эВ или 380 нм) в видимое излучение (350÷675 нм, 1,84÷3,54 эВ).
Вышеуказанные известные материалы обеспечивают преобразование в видимый свет только ближнего ультрафиолетового излучения, отсутствует возможность конверсии вакуумного ультрафиолетового излучения.
+
2
X
Ближайшим к предложенному является описанный в статье [Journal of Non-Crystalline Solids 357 (2011) 1977-1980] люминесцентный материал в виде имплантированной ионами серы (S) аморфной пленки оксида кремния SiO:S толщиной 500 нм на кремниевой подложке, работающий в качестве материала для конверсии жесткого (вакуумного) ультрафиолетового излучения (9,0÷10,5 эВ или 137,6÷118 нм) в видимое излучение (1,7÷1,94 и 2,5÷3,2 эВ или 728,8÷638,7 и 495,6÷387,2 нм).
Недостатком материала-прототипа является наличие в видимом спектре излучения нескольких компонент (1,7÷1,94 и 2,5÷3,2 эВ), а именно красной, голубой, синей и частично фиолетовой компонент с преобладанием синей компоненты. При этом свечение имеет смешанный, немонохромный спектр.
Задачей изобретения является создание материала для конверсии вакуумного ультрафиолетового излучения в видимое излучение, обладающего повышенной интенсивностью синего свечения и большей монохромностью излучения.
2
X
2
Для решения поставленной задачи материал для конверсии вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона в виде аморфной пленки оксида кремния SiOS на кремниевой подложке отличается тем, что толщина аморфной пленки оксида кремния SiO составляет 20÷70 нм, а ионы серы содержатся в количестве, при котором стехиометрический коэффициент «х» находится в пределах от 0,01 до 0,45.
Техническим результатом использования предложенного материала является повышение эффективности преобразования вакуумного ультрафиолетового излучения в видимое свечение, а именно увеличение интенсивности синего излучения в 1,3÷1,5 раза и обеспечение большей монохромности излучения. Последнее достигается за счет того, что в излучении предложенного материала отсутствует красная полоса.
При толщине аморфной пленки оксида кремния менее 20 нм происходит деградация структуры материала и ухудшение его люминесцентных свойств вследствие увеличения количества структурных дефектов, являющихся центрами тушения люминесценции. При толщине пленки более 70 нм усложняется технология получения материала, требуется использование ионного источника повышенной мощности и увеличение времени имплантации, что нецелесообразно.
При стехиометрическом коэффициенте «х», меньшем значения 0,01, интенсивность люминесценции падает вследствие низкой концентрации центров свечения.
При значениях стехиометрического коэффициента «х», больших значения 0,45, в предложенном материале появляются центры красного свечения, что ухудшает монохроматичность излучения, кроме того, происходит ухудшение люминесцентных свойств - возникает эффект концентрационного тушения люминесценции.
На фигуре 1 изображены спектры излучения известного и предложенного материалов, на фигуре 2 - спектр возбуждающего вакуумного излучения, при этом по вертикальным осям отложены интенсивности излучения в относительных единицах (отн. ед.), по горизонтальным - энергия фотонов излучения (эВ), на фигуре 3 - калибровочная взаимозависимость энергии Е и толщины пленки d.
Фиг. 1:
2
х
А - спектр излучения известного люминесцентного материала в виде имплантированной ионами серы аморфной пленки оксида кремния SiO:S толщиной 500 нм на кремниевой подложке [Journal of Non-Crystalline Solids 357 (2011) 1977-1980, Figure 1 (S-related centers)];
2
х
Б - спектр излучения предложенного люминесцентного материала в виде аморфной пленки оксида кремния SiOS, где x=0,27, толщина пленки 48 нм.
Фиг. 2 - спектр возбуждения фотолюминесценции предложенного люминесцентного материала в области вакуумного ультрафиолетового излучения.
+
2
Фиг. 3 демонстрирует используемую при получении предложенного материала зависимость энергии Е имплантируемых ионов S (вертикальная ось, кэВ) от требуемой толщины d аморфной пленки оксида кремния SiO (горизонтальная ось, нм).
2
Предложенный материал для конверсии вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона в виде аморфной пленки оксида кремния SiO на кремниевой подложке получают путем внедрения в указанную пленку ионов серы имплантацией с последующим отжигом при температуре 700÷900°C в течение 0.5÷1 часа в атмосфере сухого азота, имплантацию ведут с энергией ионов, величина которой определяется по формуле
где Е - энергия ионов, кэВ;
d - толщина аморфной пленки диоксида кремния, выбирается в пределах от 20 до 70 нм;
и при флюенсе, определяемом по формуле
2
где F - флюенс, ион/см;
x - стехиометрический коэффициент, величина безразмерная, выбирается в пределах от 0,01 до 0,45;
d - толщина аморфной пленки диоксида кремния, выбирается в пределах от 20 до 70 нм.
2
-4
Имплантация ионов серы в аморфную пленку оксида кремния SiO на кремниевой подложке осуществляют с помощью ионного источника, работающего в непрерывном режиме при рассчитанных по формулам (1) и (2) параметрах и вакууме (1,4÷2,5)·10 Торр. Перед облучением образцы материала промывают в спирте в ультразвуковой ванне. Отжиг производят в атмосфере сухого азота с использованием электропечи сопротивления (типа НТ 40/16).
2
2
х
х
Полученные образцы материала представляют собой плоскопараллельные пластины площадью 1 см, толщиной 0,5 мм, с поверхностью оптического качества. Поверхностный слой каждого образца состоит из аморфной пленки имплантированного ионами серы оксида кремния SiOS, включающей ионы S и точечные дефекты, созданные в процессе имплантации ионов серы. Нижележащая основа образца состоит из нелегированного диоксида кремния. Фотолюминесценция полученного материала возбуждалась вакуумным ультрафиолетовым излучением (фиг. 3) с энергией фотонов в интервале 8,5÷10,5 эВ, с помощью синхротрона DESY (Германия) через монохроматор. Люминесцентные спектры регистрировались фотоумножителем R6358P Hamamatsu.
В таблице приведены параметры образца 1 известного материала-прототипа и нескольких образцов 2, 3, 4 и 5 предложенного материала. Люминесцентный спектр излучения образца 1 материала-прототипа приведен на фиг. 1, А. Спектры излучения образцов 2, 4 и 5 по форме соответствуют спектру излучения образца 3 (фиг. 1, Б), отличаясь интенсивностями излучения, указанными в таблице.
Ниже описаны примеры образцов предложенного материала. Номера примеров соответствуют номерам образцов в таблице.
+
16
2
Пример 1 (прототип). Материал получен имплантацией ионов S в образец в виде аморфной пленки оксида кремния толщиной 500 нм на кремниевой подложке при энергии ионов 150 кэВ и флюенсе 5·10 ион/см. Отжиг произведен в атмосфере сухого азота при температуре 900°C в течение 1 часа. В полученном образце интенсивность пика красного излучения с энергией 1,83 эВ равна 0,2 отн. ед. Видимое излучение такого материала носит смешанный характер, содержит красную, голубую, синюю и частично фиолетовую компоненты с преобладанием синей компоненты с энергией 2,82 эВ, которая имеет относительную интенсивность 1,0 отн. ед.
+
15
2
Пример 2. Материал получен имплантацией ионов S в образец в виде аморфной пленки оксида кремния толщиной 20 нм на кремниевой подложке при рассчитанных по формулам (1) и (2) энергии ионов 13,3 кэВ и флюенсе 4,4·10 ион/см. Отжиг произведен в атмосфере сухого азота при температуре 850°C в течение 50 минут. Интенсивность пика красного излучения с энергией 1,83 эВ равна нулю. Излучение полученного материала является смешанным, но без красной полосы, при этом интенсивность синего излучения с энергией 2,82 эВ повышена и равна 1,3 отн. ед.
+
15
2
Пример 3. Материал получен имплантацией ионов S в образец в виде аморфной пленки оксида кремния толщиной 30 нм на кремниевой подложке при рассчитанных по формулам (1) и (2) энергии ионов 21,3 кэВ и флюенсе 6·10 ион/см. Отжиг произведен в атмосфере сухого азота при температуре 800°C в течение 45 минут. Интенсивность пика красного излучения с энергией 1,83 эВ равна нулю. Излучение полученного материала является смешанным, но без красной полосы, при этом интенсивность синего излучения с энергией 2,82 эВ повышена и равна 1,5 отн. ед.
+
16
2
Пример 4. Материал получен имплантацией ионов S в образец в виде аморфной пленки оксида кремния толщиной 45 нм на кремниевой подложке при рассчитанных по формулам (1) и (2) энергии ионов 33,3 кэВ и флюенсе 2,4·10 ион/см. Отжиг произведен в атмосфере сухого азота при температуре 800°C в течение 40 минут. Интенсивность пика красного излучения с энергией 1,83 эВ равна нулю. Излучение полученного материала является смешанным, но без красного излучения, при этом интенсивность синего излучения с энергией 2,82 эВ повышена и равна 1,5 отн. ед.
+
16
2
Пример 5. Материал получен имплантацией ионов S в образец в виде аморфной пленки оксида кремния толщиной 70 нм на кремниевой подложке при рассчитанных по формулам (1) и (2) энергии ионов 53,3 кэВ и флюенсе 7·10 ион/см. Отжиг произведен в атмосфере сухого азота при температуре 750°C в течение 30 минут. Интенсивность пика красного излучения с энергией 1,83 эВ равна нулю. Излучение полученного материала является смешанным, но без красной полосы, при этом интенсивность синего излучения с энергией 2,82 эВ повышена и равна 1,4 отн. ед.