WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 5 Влияние ультрафиолетового облучения на люминесценцию и оптические свойства пленок ZnS : Mn © Я.Ф. Кононец, Л.И. Велигура, О.А. Остроухова Институт физики полупроводников Национальной академии наук Украины, 252028 Киев, Украина (Получена 29 августа 1997 г. Принята к печати 26 октября 1997 г.) Обнаружен и изучен эффект изменения электрооптических свойств пленок ZnS : Mn и тонкопленочных электролюминесцентных структур на их основе в результате облучения ультрафиолетовыми импульсами с энергией в импульсе, значительно меньшей пороговой энергии лазерного отжига. Установлено, что в неупорядоченных пленках ZnS : Mn процессы образования дефектов существенны и при допороговых энергиях импульсов ультрафиолетового излучения, способствуя эффективной диффузии и активации атомов Mn в решетке ZnS. Показано, что кратковременная ультрафиолетовая обработка тонкопленочных электролюминесцентных структур улучшает их характеристики и, упрощая и удешевляя технологию изготовления, позволяет получать структуры с приемлемыми характеристиками на легкоплавких подложках.

Пленки широкозонных соединений группы AIIBVI 1. Объекты исследований и методики (ZnS, CdS и др.) широко используются в различных эксперимента оптоэлектронных устройствах — фотоприемниках, электролюминесцентных излучателях. Так, тонкопленочные Исследовались пленки ZnS : Mn толщиной электролюминесцентные структуры (ТПЭЛС) на основе 0.1 0.8 мкм, полученные соиспарением ZnS и MnS в пленок ZnS : Mn успешно применяются в плоских дисвакууме на подогретые до температуры Ts = 100180C плеях систем отображения информации, причем более подложки из стекла или сапфира, как без ТО, так широкое их использование связано с упрощением и и подвергнутые дополнительному ТО в вакууме.

удешевлением технологии изготовления ТПЭЛС [1].

Концентрация марганца в пленках CMn изменялась в Одной из технологических операций при изготовлении пределах 0 1 вес%. Для изучения влияния УФ отжига таких ТПЭЛС часто является температурный отжиг на электролюминесцентные свойства были изготовлены (ТО) при температуре 500 600C, способствующий структуры обычного типа МДПДМ, где полупроводнипроцессам кристаллизации в пленках ZnS : Mn, активаковая (П) пленка ZnS : Mn толщиной 0.6мкм была ции примеси. Однако такой отжиг требует использования заключена между двумя слоями диэлектриков (Д) Al2Oтугоплавких подложек и защитных мер, препятствующих толщиной 3 мкм каждый, нижним электродом (М) межслоевой диффузии примесей, ухудшающей характеслужил слой In2O3 на стекле или сапфире, верхним — ристики слоев. Лазерный отжиг (ЛО) позволяет проводить селективную обработку ТПЭЛС по площади или по слоям без нагрева подложки или других слоев ТПЭЛС, что особенно существенно при изготовлении многоцветных структур [1]. Однако, поскольку пороговые плотности энергии при ЛО превышают 0.5Дж/см2 [2], необходимы мощные источники ультрафиолетового (УФ) излучения, и, чтобы избежать растрескивания слоев, ЛО необходимо проводить при избыточном давлении инертного газа.

Нами ранее [3] был обнаружен эффект роста интенсивности фотолюминесценции (ФЛ) пленок ZnS : Mn при воздействии излучением импульсного лазера ЛГИ-21 с длиной волны = 337 нм и плотностью энергии в импульсе Ei 10-4 Дж/см2, что значительно меньше пороговых плотностей энергий при ЛО. Было установлено, что величина эффекта зависит как от технологических условий получения пленок ZnS : Mn, так и от интенсивности, длительности УФ облучения (УФ отжига). Цель настоящей работы — более детальное Рис. 1. Рост интенсивности ФЛ (IPL) пленки ZnS : Mn изучение обнаруженного эффекта для выяснения его (Ts = 120C) при облучении ее импульсами УФ квантов с особенностей и природы, возможностей использования плотностью энергии в импульсе Ei, 10-3 Дж/см2: 1 — 0.1, при изготовлении ТПЭЛС на основе пленок ZnS : Mn. 2 —0.2, 3 — 0.35, 4 —1.

550 Я.Ф. Кононец, Л.И. Велигура, О.А. Остроухова Рис. 2. Влияние времени облучения t ЛГИ-21 на интенсивность ФЛ (IPL) при = 585 нм (a) и = 450 нм (b). Режим облучения: f = 100 Гц, Ei = 10-3 Дж/см2. a: пленка ZnS : Mn без отжига (1), подвергнутая ТО при Ta = 300, 400, 500C (3, 4, 5), подвергнутая дополнительному -облучению (2) и потом ТО при 400C (6). b: пленка ZnS : Mn (1) и нелегированного ZnS (2).

слой Al. Перед напылением Al часть структур импульсами с плотностью энергии Ei 10-4 Дж/см2.

подвергалась либо ТО в вакууме при температуре отжига Скорость нарастания интенсивности ФЛ, уровень в наTa = 300500C, либо облучению в течение 1530 мин сыщении зависят как от интенсивности УФ облучения импульсами лазера ЛГИ-21 (Ei = 10-3 Дж/см2, (рис. 1), так и от технологии изготовления пленок, уровчастота f = 100 Гц). Кроме УФ излучения ЛГИ-21, ня их легирования. Эффект наблюдался при облучении использовалось и выделяемое фильтрами УФ излучение пленок ZnS : Mn квантами из области зона-зонного портутной лампы ДРШ-250 в области 313 или 365 нм.

глощения ( = 313, 337 нм) и не наблюдался при облуИзучались спектры пропускания и ФЛ пленок чении в области примесного поглощения ( = 365 нм).

ZnS : Mn, изменение спектров и интенсивности ФЛ в Оказалось, что чем больше степень разупорядочения в результате ТО или УФ обработки, кинетика свечения пленке ZnS : Mn в силу низкой температуры напылекак в полосе излучения ионов Mn2+ ( = 585 нм), ния, большого уровня легирования или дополнительного так и в полосе так называемого самоактивированно-облучения, тем эффект УФ отжига заметнее.

го излучения (САИ, = 460 нм). При исследовании Так, при облучении пленки ZnS : Mn (Ts = 120C, спектральных характеристик использовался спектрометр CMn = 0.6вес%) импульсами с энергией КСВУ-23, временное разрешение при измерении кинети Ei = 10-3 Дж/см2 интенсивность ФЛ ионов Mn2+ ки ФЛ, возбуждаемой импульсами ЛГИ-21 (i = 10 нм), (рис. 2, a, кривая 1) увеличилась за t = 5мин от 28 до было 10-6 с.

88% относительно интенсивности ФЛ этой же пленки, На изготовленных трех типах ТПЭЛС — исходных и подвергнутой ТО при температуре Ta = 400C в вакууме прошедших ТО или УФ отжиг — проводились измерев течение 1 ч (кривая 4). Интенсивность ФЛ пленки, ния вольт-яркостных (ВЯХ) и вольт-зарядовых (ВЗХ) подвергнутой дополнительному -облучению (107 рад, характеристик, эффективности электролюминесценции кривая 2) при таких же условиях увеличилась от 22 до (ЭЛ), определяемой как отношение яркости структу94%, причем после ТО такого образца интенсивность ры к протекаемому через нее току, спектральных и ФЛ (кривая 6) тоже стала больше. Эффект УФ отжига, кинетических характеристик свечения. При измерении как следует из рис. 2, a, значительный для исходных ВЯХ и ВЗХ применялись стандартные методики измепленок ZnS : Mn (кривые 1, 2), уменьшается после ТО рений, ЭЛ возбуждалась синусоидальным напряжением и уже при Ta > 400C не наблюдается. Отметим, что частотой f = 50 5000 Гц или же знакопеременными повышение температуры напыления выше 180C также прямоугольными импульсами длительностью 1020 мкс приводит к исчезновению эффекта УФ отжига.

с фронтами 0.5 мкс. Последние использовались и при При УФ отжиге пленок ZnS : Mn одновременно с изучении кинетики нарастания и спада ЭЛ.

увеличением ФЛ ионов Mn2+ наблюдается и уменьшение интенсивности ФЛ САИ (рис. 2, b, кривая 1), тогда как 2. Полученные результаты при таком отжиге нелегированных пленок ZnS наблюдается рост САИ (кривая 2). Некоторое увеличение ФЛ и их обсуждение САИ наблюдалось и при -облучении пленок нелегироИсследования показали, что в пленках ZnS : Mn, по- ванного ZnS, приводящем к образованию френкелевских лученных осаждением на слабо подогретые подложки пар (VZnZni). Эффект УФ отжига стабилен, так как (Ts < 150C), наблюдается рост интенсивности ФЛ после отжига в течение нескольких лет не было замечено IPL ионов Mn2+ со временем t при облучении пленок изменений свойств пленок.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Влияние ультрафиолетового облучения на люминесценцию и оптические свойства пленок ZnS : Mn ТПЭЛС, поскольку после УФ отжига они имеют больший запас электрической прочности и их характеристики в меньшей степени изменяются в процессе работы. Сравнение параметров исследованных ТПЭЛС показало, что по яркости и эффективности ЭЛ ТПЭЛС, подвергнутые УФ отжигу, не уступают прошедшим ТО при 450C в вакууме в течение 1 ч, причем имеют большую электрическую прочность.

Как известно [1,4] температурный отжиг пленок ZnS : Mn необходим для повышения степени кристалличности пленок, отжига дефектов, равномерного распределения Mn и его активации, причем только при температурах отжига Ta > 500C наблюдается заметный рост кристаллитов, а при меньших температурах более существенным является увеличение концентрации замещаюРис. 3. Край поглощения пленок ZnS : Mn (Ts = 120) без (1) щих Zn ионов Mn2+, являющихся эффективными цени после УФ отжига (2) или ТО при Ta = 500C (3). 4 —край трами люминесценции. Такие же процессы характерны поглощения нелегированной пленки ZnS (Ts = 120C, и для ЛО, где перекристаллизация слоя после быстрого Ta = 500C). — коэффициент поглощения.

локального нагрева приводит к высокому совершенству кристаллической структуры, диффузии примеси в места решетки, где она становится электрически или оптически активной [2]. При этом важную роль может играть не только тепловой нагрев, но и образование термоупругих деформаций, большой плотности электронно-дырочных пар, способствующих увеличению скорости диффузии примесей, отжигу и созданию дефектов [5].

Пороговая энергия исследуемого УФ отжига существенно ниже порога ЛО (10-4 и 0.5 Дж/см2 соответственно) и при используемых условиях отжига нагрев пленки ZnS не превышает 10C. Отжиг наблюдается только в области поглощения квантов, генерирующих электронно-дырочные пары, и не наблюдается при облучении через верхний Al-электрод. Поэтому нет причин говорить о доминирующей роли нагрева или термоупругих напряжений в наблюдаемом эффекте УФ отжига.

На рис. 5 представлены результаты исследований Рис. 4. Зависимости яркости L (1, 2) и эффективности ЭЛ влияния электрического поля на кинетику УФ отжи (3, 4) от величины приложенного напряжения U для исходной га. Как оказалось, приложение напряжения (кривая 2) ТПЭЛС (1, 3) и прошедшей УФ отжиг (2, 4). f = 5кГц.

приводит к гашению ФЛ и более слабому росту ее в процессе экспозиции, причем после снятия напряжения Анализ спектров пропускания показал, что УФ отжиг не изменяет вида спектра в области прозрачности ( >400 нм), т. е. при отжиге не происходит существенных изменений показателя преломления или степени рассеяния света в пленке. Однако при таком отжиге, как и при ТО (рис. 3, кривые 1–3), край поглощения становится более резким. Интересно отметить, что в нелегированных пленках ZnS УФ отжиг не влиял на форму края поглощения, тогда как после ТО (кривая 4) край поглощения становился более резким.

На рис. 4 представлены результаты проведенных измерений ВЯХ и эффективности ЭЛ для двух типов структур — без (кривые 1, 3) и после УФ отжига (кривые 2, 4).

Видно, что отжиг приводит к заметному увеличению Рис. 5. Скорость УФ отжига пленок ZnS : Mn без напряжеяркости и эффективности ЭЛ, крутизны ВЯХ. Более ния (1) и при приложении напряжения (2). Вверху — импульс того, отжиг способствует и более стабильной работе напряжения.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 552 Я.Ф. Кононец, Л.И. Велигура, О.А. Остроухова интенсивность ФЛ меньше. Наблюдаемое уменьшение равновесных дефектов, в том числе и включений атоскорости УФ отжига в электрическом поле гасящем мов марганца, образующих широкий спектр состояний.

ФЛ в результате разделения носителей и, следователь- В сильно компенсированных полупроводниках мелкие но, уменьшающем плотность электронно-дырочных пар, состояния способствуют размытию края полосы фундаговорит о значительном влиянии последних на эффект ментального поглощения [11]. Наблюдаемые в процессе УФ отжига, хотя и их плотность на несколько порядков УФ отжига пленок ZnS : Mn и ZnS изменения формы края меньше требуемой в модели плазменного отжига [5]. поглощения и полосы излучения ионов Mn2+ не протиТаким образом, возможные при поглощении пленкой воречат предположению о преобразовании части мелких ZnS : Mn энергии 10-3 Дж/см2 нагрев, термоупругие уровней в глубокие нейтральные, так как марганец, деформации или электронно-дырочная плазма не могут изоэлектронно замещая цинк в решетке ZnS, нейтрален вызвать характерных для ЛО эффектов перекристалли- относительно последней.

зации и упорядочения решетки. Однако в полупровод- В общем случае, фотоиндуцированное изменение инниках при импульсном облучении известны [6] факты тенсивности ФЛ может быть вызвано как изменением генерации дефектов, свидетельствующие об уменьшении концентрации центров рекомбинации вследствие отжипороговых энергий их образования. Такое уменьшение га [9] или образования новых дефектов [8], стимулиможет быть существенным в сильно разупорядоченных рованной диффузии примесей [12], так и изменениполупроводниках в результате суммарного воздействия ем рекомбинационных характеристик центров свечения.

деформационного потенциала и возможных при импульс- Проведенные исследования спектров свечения показали, ном облучении нагрева, термоупругих напряжений и что в спектрах как ФЛ, так и ЭЛ доминирует полоса плазмы [7]. В свою очередь снижение энергии образо- ионов Mn2+, поскольку излучение вне ее, в том числе вания дефектов стимулирует процессы диффузии приме- и САИ, на несколько порядков величины слабее. УФ сей, их активацию.

отжиг приводит лишь к некоторой деформации спектров, По-видимому, наблюдаемый более эффективный УФ при этом интенсивность ФЛ ионов Mn2+ увеличивается отжиг в более разупорядоченных пленках говорит о том, в несколько раз, в то время как спектр и кинетика что при таком отжиге происходит не перекристаллизация свечения, коэффициент поглощения существенно не изрешетки, а образование и аннигиляция дефектов. Известменяются. По-видимому, эти факты свидетельствуют о но, что облучение кристаллов CdS [8] или ZnSe [9] изтом, что увеличение ФЛ ионов Mn2+ в пленках при лучением лазера ЛГИ-21 приводило к образованию или УФ отжиге связано не с увеличением эффективности отжигу собственных дефектов. В ZnS пороговые энергии возбуждения или люминесценции последних, а с ростом образования дефектов больше, порядка 5 6эВ [10] числа центров свечения.

для наиболее вероятного из них — пары VZnZni, и Таким образом, установлено, что в пленках ZnS : Mn энергии кванта в 3.6 эВ, по-видимому, недостаточно для при облучении их импульсами УФ квантов допороговой образования дефекта в упорядоченной решетке ZnS.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.