WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 8 Фотолюминесценция легированных эрбием алюмооксидных пленок со встроенными кремниевыми наночастицами ¶ © С.К. Лазарук, А.В. Мудрый, А.В. Иванюкович, А.А. Лешок, Д.Н. Унучек, В.А. Лабунов Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, 220027 Минск, Белоруссия Институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Белоруссии, 220072 Минск, Белоруссия (Получена 27 декабря 2004 г. Принята к печати 10 января 2005 г.) Легированные эрбием алюмооксидные пленки с встроенными кремниевыми наночастицами получены магнетронным распылением композитной мишени (Al+Er2O3+Si) и их последующим электрохимическим анодированием при комнатной температуре. Спектры фотолюминесценции пленок измеряли в диапазоне температур 4.2-300 K. Наблюдалась эффективная фотолюминесценция на длине волны 1.54 мкм без предварительного отжига образцов, что указывает на возможность активации ионов Er3+ без использования высокотемпературных операций. Алюмооксидные пленки со встроенными кремниевыми наночастицами продемонстрировали более сильную фотолюминесценцию на длине волны 1.54 мкм по сравнению с подобными пленками без кремниевых наночастиц. Этот эффект можно объяснить дополнительной накачкой эрбиевых люминесцентных центров с передачей энергии от кремниевых наночастиц.

Легированные эрбием материалы представляют значи- Анализ фотолюминесценции образцов всех трех групп тельный интерес в связи с тем, что излучение ионов Er3+ проводили при температурах 300, 78 и 4.2 K. Для совпадает с минимумом оптического поглощения в стан- оптической накачки образцов использовали ксеноновую дартных кремниевых волноводах [1]. Оксид алюминия — лампу. Другие детали измерений фотолюминесценции привлекательный материал матрицы для ионов Er, так можно найти в работе [3].

как технология его получения достаточно разработана, Результаты оже-анализа сформированных анодных дешева и хорошо совместима с кремниевой. В данной ра- пленок показали однородное распределение атомов боте проведено исследование люминесцентных свойств кремния по толщине (рис. 1). Процентное содержание эрбийсодержащих алюмооксидных пленок со встроен- кремния составило 2 ат%. Как было показано нами ными кремниевыми наночастицами. Спектры люминес- ранее [4], при анодном окислении алюминиево-кремниевого сплава из-за разной скорости анодного окисления ценции исследуемых пленок сравнивали с результатами, алюминия (1нм/В) и кремния (0.2 нм/В) большая часть ранее опубликованными в работе [2], где исследовали кремниевых атомов остается в неокисленном состоянии.

аналогичные пленки Al2O3 без кремниевых наночастиц.

Эта разница и обеспечивает формирование кремниевых Исследуемые образцы получали осаждением пленок на пластины Si(100) с помощью магнетронного распыле- наночастиц в алюмооксидной матрице. На рис. 1 не показано распределение атомов эрбия из-за ораничения ния специально приготовленной алюминиевой мишени.

Вставки Er2O3 и Si составляли порядка 1 и 4% общей площади распыления соответственно. Осаждение проводили при анодном смещении 400 В и токе 0.7 А в атмосфере аргона при давлении 0.1 Па. Толщина осажденных пленок была 0.7 мкм. Затем пленки подвергали анодированию в 2%-м водном растворе H2SO4 при плотности тока 20 мА/см2 в течение 10 мин с последующей промывкой в деионизованной воде и сушкой при комнатной температуре. В результате были сформированы пленки пористого оксида алюминия толщиной 1 мкм. Элементный состав пленок определяли методами вторичной ионной масс-спектроскопии (ВИМС) (Cameca IMS-4f) и Оже (PHI-660 Perkin Elmer) при послойном стравливании исследуемых материалов. Сформированные для исследований образцы разделили на три группы. Образцы первой и второй групп подвергали отжигу в диапазоне температур 100-1200C в течение 15 мин в вакууме и на воздухе соответственно. Измерения люминесцентных Рис. 1. Распределение элементов (Al, Si, O) в алюмооксидной свойств образцов третьей группы проводили без отжига.

пленке со встроенными кремниевыми наночастицами. Резуль¶ E-mail: serg@nano.bsuir.edu.by таты оже-анализа.

928 С.К. Лазарук, А.В. Мудрый, А.В. Иванюкович, А.А. Лешок, Д.Н. Унучек, В.А. Лабунов оксидной матрице. Пик фотолюминесценции находится в желто-оранжевой области видимого диапазона.

Анодный оксид алюминия состоит из поликристаллической фазы -Al2O3 [5], характеризующейся высокой неидеальностью решетки. Это приводит к возникновению примесных уровней, связанных с неоднородностью состава и дефектами структуры материала.

Для анион-дефектной диэлектрической матрицы оксида алюминия характерно наличие так называемых цветных центров или F-центров, которые представляют собой кислородные вакансии, захватившие два электрона [6].

Оптическое возбуждение F-центра производится фотонами с энергиями ультрафиолетового диапазона. Возбужденный F-центр релаксирует в стационарное состояние с излучением фотона с энергией в видимом диапазоне [7]. Измерения фотолюминесценции образцов анодного оксида алюминия, легированного Er, со встроенными наночастицами кремния, показали наличие широкой интенсивной полосы излучения с максимумом энергии, соответствующим переходу из первого возбужденного состояния F-центра в стационарное. Высвобождаемой при релаксации F-центра энергии достаточно для перевода в возбужденное состояние внутреннего 4 f -электрона иона Er3+.

Кремниевые наночастицы, встроенные в алюмооксидные пленки, имеют широкую полосу поглощения [8], что способствует более эффективному поглощению света алюмооксидными пленками и генерации экситонов, Рис. 2. Спектры фотолюминесценции легированных эрбиэнергия которых зависит от размеров нанокристаллов.

ем алюмиооксидных пленок: a — в инфракрасной области, Энергии, высвобождаемой при электрон-дырочной реb — в видимом диапазоне. 1–3, 5 — пленки со встренными комбинации в наноразмерной частице кремния, достананочастицами Si; 4 — без кремниевых наночастиц, данные работы [2]. Температура измерений, K: 1 — 4.2, 2 — 78, точно для перевода иона Er3+ в возбужденное состоя3–5 — 300.

ние [9]. Экситоны могут рекомбинировать излучательно или в случае, когда ион Er3+ находится непосредственно вблизи нанокристалла — безызлучательно, переводя ион Er3+ в одно из возможных возбужденных состояний.

разрешающей способности оже-анализа. Поэтому проИзбыточная энергия в процессе оже-рекомбинации поцентное содержание атомов эрбия было определено с глощается свободными электронами или фононами [10].

помощью анализа данных ВИМС и составило 0.2 ат%.

В этом процессе эффективное сечение поглощения Легированные эрбием алюмооксидные пленки со ионов Er3+ увеличивается на несколько порядков по встроенными кремниевыми наночастицами демонстри- сравнению с прямым поглощением Er3+ в матрице дируют сразу после анодирования эффективную фотолю- электрика. Схема возбуждения иона Er3+ представлена минесценцию (ФЛ) на длине волны 1.54 мкм, т. е. для на рис. 3.

оптической активации атомов Er не требуется операций Интенсивность фотолюминесценции в зависимости от высокотемпературного отжига. Спектры фотолюминес- температуры отжига в течение 15 мин в вакууме и на ценции сформированных пленок в области 1.54 мкм, воздухе показана на рис. 4. Интенсивность люминесценизмеренные при температурах 4.2, 78 и 300 K, и спектр ции уменьшается в диапазоне температур 200-500C фотолюминесценции аналогичной пленки без кремние- с последующим восстановлением в диапазоне темперавых наночастиц из работы [2] представлены на рис. 2, a. тур 500-800C.

Форма и расположение максимума характерны для Как известно, люминесценция эрбия на длине волвнутренных 4 f -переходов электронов в Er3+, и их де- ны 1.54 мкм наблюдается в кислородном окружении тальное обсуждение можно найти в [2]. Интегральная трехвалентных ионов Er3+ [1]. Поэтому в материалах, интенсивность люминесценции легированных эрбием легированных эрбием и кислородом методом ионной пленок Al2O3 со встроенными наночастицами кремния имплантации, люминесценцию можно наблюдать тольоказалась в 2-3 раза больше, чем в пленках без ко после высокотемпературного отжига, приводящего кремниевых наночастиц. На рис. 2, b представлен спектр к рекристаллизации аморфного материала и упорядофотолюминесценции кремниевых наночастиц в алюмо- чиванию кислородного окружения атомов эрбия [11].

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Фотолюминесценция легированных эрбием алюмооксидных пленок со встроенными... тервале температур 200-500C приводит к изменению структурной организации этого материала. При этом водород диффундирует из алюмооксидных пленок [5], разрушая кислородное окружение атомов эрбия, что приводит к уменьшению интенсивности фотолюминесценции. При температурах отжига от 500Cи более начинается формирование оптически активных кластеров Er–O и соответствующее восстановление интенсивности фотолюминесценции.

Пленки, отожженные при температуре более 800Cна воздухе, демонстрируют большую фотолюминесценцию, чем после отжига в вакууме. Это является следствием формирования большего количества оптически активных кластеров Er–O. Тогда уменьшение интенсивности фотолюминесценции после 1000C можно объяснить разрывом Er–O-связей. Кремниевые наночастицы при Рис. 3. Схема возбуждения иона Er3+ в алюмооксидной исследуемых отжигах вплоть до 1000C демонстрируют матрице со встроенными кремниевыми наночастицами.

стабильность фотолюминесценции в видимом диапазоне.

Однако при температурах отжига более 1000C наблюдается уменьшение интенсивности люминесценции, что может быть обьяснено термическим окислением кремния и сокращением количества кремниевых наночастиц.

Мы продемонстрировали, что введение кремниевых наночастиц в пленки анодного алюминия, легированного эрбием, усиливает люминесценцию на длине волны 1.54 мкм. При этом люминесценция оптически активных центров эрбия наблюдалась в свежеприготовленных образцах без высокотемпературной обработки. Разработанный метод может быть использован для изготовления волноводных усилителей на длине волны 1.54 мкм.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке программы ИНТАС, договор № 03-51-6486.

Список литературы Рис. 4. Интенсивность пиков фотолюминесценции исследуемых пленок при комнатной температуре в зависимости от [1] A. Polman. J. Appl. Phys., 82, 1 (1997).

температуры отжига: 1 — максимум на длине волны 1.54 мкм, [2] S.K. Lazarouk, A.V. Mudryi, V.E. Borisenko. Appl. Phys. Lett., отжиг на воздухе; 2 — максимум на длине волны 1.54 мкм, 73, 2272 (1998).

отжиг в вакууме; 3 — максимум на длине волны 580 нм, отжиг [3] V.D. Tkachev, A.V. Mudryi, N.S. Minaev. Phys. Status Solidi A, на воздухе.

81, 313 (1984).

[4] С.К. Лазарук, А.А. Лешок, В.Е. Борисенко. Изв. РАН. Сер.

физ., 67 (2), 178 (2003).

[5] L. Young. Anodic Oxide Films (N. Y., Academic, 1971).

Мы наблюдали характерную люминесценцию эрбия [6] B.D. Evans, G.J. Pogatshnik, Y. Chen. Nucl. Instrum. Meth.

в алюмооксидных пленках, легированных эрбием, без B, 91, 258 (1994).

операции высокотемпературного отжига. Это позволя- [7] В.С. Кортов, И.И. Мильман, С.В. Никифоров, В.Е. Пеленев. ФТТ, 45, 1202 (2003).

ет предположить, что при электрохимическом анодном [8] P.D.J. Calcott. Properties of Porous Silicon (London, окислении вокруг атомов эрбия формируется кислородINSPEC, 1997) p. 204.

ное окружение, аналогичное тому, что образуется при [9] Y.H. Xie, E.A. Fitzgerald, Y.J. Mii. J. Appl. Phys., 70, высокотемпературных процессах.

3223 (1991).

Структурной особенностью свежеприготовленнго ок[10] I.N. Yassievich, A.S. Moskalenko, O.B. Gusev, M.S. Bresler.

сида алюминия по сравнению с отожженными образцами Towards the First Silicon Laser (Kluwer Academic Pubявляется более высокая концентрация OH-групп [5].

lishers, Netherlands, 2003).

Именно эти группы отвечают за оптическую актива[11] G.N. van den Hoven, E. Snoeks, A. Polman, J.W.M. van Uffeцию атомов эрбия, о чем свидетельствует наблюдаемая len, Y.S. Oei, M.K. Smit. Appl. Phys. Lett., 62, 3065 (1993).

нами люминесценция эрбия при температурах отжига Редактор Т.А. Полянская до 200C. Дальнейший отжиг оксида алюминия в ин3 Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 930 С.К. Лазарук, А.В. Мудрый, А.В. Иванюкович, А.А. Лешок, Д.Н. Унучек, В.А. Лабунов Er-doped anodic alumina films with embedded Si nanoparticles S.K. Lazarouk, A.K. Mudryi, A.U. Ivaniukovich, A.A. Leshok, D.M. Unuchak, V.A. Labunov Belorusian State University of Informatics and Radioelectronics, 220027 Minsk, Belorussia Institute of Solid State and Semiconductors Physics, National Academy of Sciences of Belorussia, 220072 Minsk, Belorussia

Abstract

Er-doped Al2O3 films with Si nanoparticles have been fabricated by magnetron sputtering a composite target (Al+Er2O3+Si) and its subsequent electrochemical anodization at room temperature. Photoluminescence spectra of the films were recorded in the temperature range of 4.2–300 K. Anodic alumina films with embedded Si nanoparticles demonstrated photoluminescence at 1.54 µm to be more stronger in comparison with the similar films without Si nanoparticles. Effective photoluminescence at 1.54 µm was observed without previous annealing. This fact point to possibility of Er3+ ion activation in a room temperature condition. This effect can be explained by additional pumping of Er related luminescent centers via Si nanoparticle energy.




© 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.