Материал для конверсии вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона в виде аморфной пленки оксида кремния sio2sx на кремниевой подложке

Изобретение относится к люминесцентным материалам для конверсии вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона, предназначенным для создания функциональных элементов фотонных приборов нового поколения, а также для контроля жесткого ультрафиолетового излучения в вакуумных технологических процессах. Предложенный материал характеризуется тем, что толщина аморфной пленки оксида кремния SiO₂S_х составляет 20-70 нм, а ионы кислорода содержатся в количестве, при котором стехиометрический коэффициент «х» находится в пределах от 0,01 до 0,45. Изобретение обеспечивает увеличение интенсивности синего излучения материала и отсутствие красного свечения при сохранении конверсии вакуумного ультрафиолетового излучения в видимое. 3 ил., 1 табл., 5 пр.

 

Изобретение относится к люминесцентным материалам для конверсии вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона в виде аморфной пленки оксида кремния SiO₂S_X 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.

Известны [ЖТФ, 2012, т. 82, вып. 2, стр. 153-155] свойства люминесцентных материалов на основе (CaO·0,5Al₂O₃·5SiO₂):Eu и (CaO·0,2Al₂O₃·SiO₂):Eu с добавкой B₂O₃ 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.

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 SiO₂:S_X 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.

Для решения поставленной задачи материал для конверсии вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона в виде аморфной пленки оксида кремния SiO₂S_X на кремниевой подложке отличается тем, что толщина аморфной пленки оксида кремния SiO₂ 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:

А - спектр излучения известного люминесцентного материала в виде имплантированной ионами серы аморфной пленки оксида кремния SiO₂:S_х толщиной 500 нм на кремниевой подложке [Journal of Non-Crystalline Solids 357 (2011) 1977-1980, Figure 1 (S-related centers)];

Б - спектр излучения предложенного люминесцентного материала в виде аморфной пленки оксида кремния SiO₂S_х, где x=0,27, толщина пленки 48 нм.

Фиг. 2 - спектр возбуждения фотолюминесценции предложенного люминесцентного материала в области вакуумного ультрафиолетового излучения.

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 SiO₂ (горизонтальная ось, нм).

Предложенный материал для конверсии вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона в виде аморфной пленки оксида кремния SiO₂ 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

где F - флюенс, ион/см²;

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.

Имплантация ионов серы в аморфную пленку оксида кремния SiO₂ 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^-4 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).

Полученные образцы материала представляют собой плоскопараллельные пластины площадью 1 см², толщиной 0,5 мм, с поверхностью оптического качества. Поверхностный слой каждого образца состоит из аморфной пленки имплантированного ионами серы оксида кремния SiO₂S_х, включающей ионы S_х 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.

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 5·10¹⁶ ион/см². 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.

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 4,4·10¹⁵ ион/см². 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.

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 6·10¹⁵ ион/см². 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.

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 2,4·10¹⁶ ион/см². 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.

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 7·10¹⁶ ион/см². 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.

Материал для конверсии вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона в виде аморфной пленки оксида кремния SiO₂ с имплантированными в нее ионами серы S_x, где х - стехиометрический коэффициент, на кремниевой подложке, отличающийся тем, что толщина аморфной пленки оксида кремния SiO₂ составляет 20-70 нм, а ионы серы содержатся в количестве, при котором стехиометрический коэффициент «х» находится в пределах от 0,01 до 0,45.