WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 8 Влияние эрбия и кислорода на интенсивность фотолюминесценции эрбия и состав пленок a-SiOx : H Er,O, полученных магнетронным распылением на постоянном токе ¶ © Ю.К. Ундалов, Е.И. Теруков, О.Б. Гусев, В.Х. Кудоярова Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 27 декабря 2004 г. Принята к печати 12 января 2005 г.) Изучалось влияние различных концентраций кислорода (CO2) в газовой смеси (20% SiH4 + 80% Ar) +O2 и площади эрбиевой мишени (SEr) на состав и фотолюминесцению Er3+ аморфных пленок a-SiOx : H Er,O, полученных магнетронным распылением на постоянном токе. Анализ экспериментальных данных показал, что кластеры [Er–O] и [Er–O–Si–O] формируются в газовой фазе плазмы с участием конкурирующих реакций окисления и процесса распыления Si- и Er-мишеней, а также благодаря взаимодействию в газовой фазе ассоциатов [Si–O] и [Er–O] друг с другом и с кислородом. Разрыв зависимостей концентраций Er–O связанного с эрбием кислорода и эрбия в пленке, NO, NEr = f (CO2, SEr), при CO2 (5-6.5) мол% подтверждает гипотезу существования различных эрбиевых кластеров. Определены условия, при которых получаются пленки a-SiOx : H Er,O с наибольшей интенсивностью фотолюминесценции ионов эрбия на длине волны 1.54 мкм.

1. Введение фигуры, вершина которой соответствует максимальному значению интенсивности ФЛ Er3+ (IEr )max. Сечения PL Присутствие ионов эрбия и кислорода в качестве такой фигуры, не проходящие через (IEr )max, будут PL легирующих компонент в пленках a-SiOx : H Er,O дает иметь свой максимум с IEr < (IEr )max, как это имеет PL PL возможность получать фотолюминесценцию (ФЛ) Er3+ место в [1–6]. Если учитывать и другие перечисленные на длине волны 1.54 мкм, слабо поглощаемую кварцевым выше факторы, от которых зависит величина IEr, то PL светопроводом. Как ранее показано в [1–6], интенсивформа такой фигуры изменится в сторону усложнения.

ность ФЛ Er3+ (IEr ) в пленках a-SiOx : H Er,O зависит Однако предлагаемое упрощенное представление завиPL от многих параметров: от общей концентрации кислосимости IEr от большого количества характеристик плеPL tot tot рода (NO ), от концентрации эрбия (NEr), от содержания нок в виде IEr = f (NO, NEr) поможет понять систему PL Er–O кислорода в эрбиевом кластере (NO ), от концентрации a-Si : H–O–Er применительно к условиям используемого эрбиевых кластеров, от концентрации фотоактивных эрспособа получения пленок a-SiOx : H Er,O.

ph Si–O биевых центров (NEr), от содержания кислорода (NO ) Настоящая работа является продолжением исследои водорода (NH) в матрице a-SiOx : H, от ее структуры, ваний, начатых в [4], и посвящена выявлению условий концентрации дефектов и др. В случае получения пленок получения пленок a-SiOx : H Er,O методом магнетронметодом магнетронного распыления на постоянном токе ного распыления на постоянном токе (dc-магнетронным перечисленные параметры находятся в тесной связи методом), при которых IEr окажется наибольшей.

PL (как показано в [4], — неоднозначной) с условиями эксперимента: с концентрацией кислорода в газовой смеси SiH4 и Ar на входе в плазму (CO ) и с площадью 2 2. Эксперимент распыляемой пластины металлического эрбия (SEr), т. е.

с площадью Er-мишени (другие параметры эксперимента Пленки a-SiOx : H Er,O получали по технологии, опиподдерживались неизменными [4]). Исходя из результасанной в [4]. Изучалась связь состава пленок и IEr с PL тов работы [4] нетрудно заключить, что только полная величиной SEr в пределах 0-18 мм2 при пяти фиксирокартина зависимости IEr от всех перечисленных параPL ванных значениях CO : 0.15, 3.5, 6.5, 8, 12 мол% (парциметров, включая технологические, может решить вопрос альное давление кислорода PO изменялось в диапазоне о воспроизводимом получении пленок a-SiOx : H Er,O 1.3 · 10-5-1.04 · 10-3 Торр). Все другие характеристики с наибольшими значениями IEr, пригодных для пракPL процесса получения пленок поддерживались неизменнытического использования. Однако полную картину тами, как в [4]. В частности, измеряемое общее давление кой связи описать достаточно трудно. Впрочем, си(калибровка производилась по воздуху) газовой смеси туацию можно несколько прояснить, упростив задачу:

(20% SiH4 + 80% Ar) +O2, вводимой в газовую фазу tot необходимо определить зависимость IEr = f (NO, NEr), PL плазмы, поддерживалось всегда неизменным и равным связав ее с технологическими параметрами (CO и SEr).

7.5 · 10-3 Торр. Элементный состав пленок и их структуtot В этом случае зависимость IEr = f (NO, NEr) должна tot PL ра определялись по аналогии с [4]: NO и концентрация быть представлена в виде гипотетической объемной кремния NSi — методом обратного резерфордовского ¶ E-mail: undalov@mail.ioffe.ru рассеяния (RBS); NEr — методом ядерных резонансных 6 980 Ю.К. Ундалов, Е.И. Теруков, О.Б. Гусев, В.Х. Кудоярова Si–O реакций (NRR); NO и NH — методом инфракрасной (IR) спектроскопии. Зависимости NH, NSi = f (SEr) здесь не рассматриваются. Методика измерения IEr и PL opt оптической ширины запрещенной зоны Eg была также аналогична [4]. При измерениях IEr для всех пленок PL в настоящих исследованиях использовался один и тот же образец сравнения, который отличался от образца сравнения в [4].

3. Результаты эксперимента и их обсуждение В [4] на основе экспериментальных данных высказана гипотеза о существовании в пленках a-SiOx : H Er,O, полученных dc-магнетронным методом, двух типов эрбиевых кластеров ([Er–O]n- и [Er–O–Si–O]m-), которые формируются скорее всего в плазме. Состав и концентрация эрбиевых ассоциатов в газовой фазе и пленках зависят при прочих равных условиях от CO и SEr (в [4] SEr 3мм2). Процесс формирования эрбиевых кластеров характеризуется немонотонным изменением tot Si–O NO, NSi, NO, NH, NEr и IEr с ростом CO. Наблюдаемое PL напоминает ситуацию, когда при создании в газовой фазе определенного соотношения концентраций компонент наступают благоприятные условия для формирования одного из упомянутых выше типов эрбиевых кластеров [Er–O–Si–O]m- (возможно, и их ассоциатов) в экспериментально заметных количествах.

В связи с этим возникает очевидный вопрос — как поведет себя система, в частности газовая фаза и состав Рис. 1. Зависимость содержания кислорода NO (a), эрпленок a-SiOx : H Er,O, при изменении SEr и различных бия NEr (b) и интенсивности фотолюминесценции Er3+ (c) фиксированных CO в пленках a-SiOx : H Er,O от SEr при разных фиксированных Результаты таких экспериментов представлены на значениях CO2, мол%: 1, 6 — 0.15; 2, 7 —3.5; 3 —6.5; 4, 8 —8;

tot Si–O рис. 1–4.

5 — 12. a: (1–5) — NO, данные NRR; (6–8) — NO, данные Из анализа экспериментальных данных можно сделать IR спектроскопии. b: NEr, данные RBS.

следующие выводы.

1) Содержание кислорода, связанного с кремнием Si–O матрицы a-SiOx : H, (NO ) практически остается постоянным (или слабо изменяется) при фиксированном значении CO и изменении SEr во всем используемом нами диапазоне SEr = 0-18 мм2 (кривые 6–8 на рис. 1, a). Учитывая прямую зависимость NEr от SEr (рис. 1, b), можно говорить с определенными допущениями об отсутствии заметного влияния (или о слабом влиянии) введенного в систему эрбия на состав и структуру аморфной матрицы Si–O a-SiOx : H Er,O. Зависимость NO = f (SEr) с ростом Si–O CO смещается в сторону увеличения NO (кривые 6–на рис. 1, a). Для характеристики матрицы одного из образцов, полученного при CO = 8мол% и SEr 13.5мм2, Si–O приведем такие параметры: пленке с NO 9ат% opt соответствует Eg 2.2 эВ и показатель преломления Si–O n = 2.44. Когда CO = const, кривые NO = f (SEr) всеtot гда располагаются ниже кривых NO = f (SEr) по оси Рис. 2. Влияние CO2 и SEr на концентрацию кислорода, NO (рис. 1, a). Это означает, что вводимый в газовую связанного с эрбием, в пленках a-SiOx : H Er,O. (1–5) соотфазу кислород связывается не только с атомами крем- ветствуют (1–5) на рис. 1.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Влияние эрбия и кислорода на интенсивность фотолюминесценции эрбия и состав пленок... диапазоне CO 6.5мол%, величина IEr практически 2 PL tot синхронно изменяется с NO (рис. 1, a, c). Разность tot Si–O (NO - NO )S =0 включает в себя концентрацию Er кислорода, связанного с неконтролируемыми неосновными примесями, в частности с водородом (O–H-группа).

При введении эрбия в систему количество этого кислорода уменьшается примерно на Er–O величину NO. Следовательно, при CO = const Er–O tot Si–O справедливо неравенство: NO < [(NO - NO )S >Er tot Si–O tot tot - (NO -NO )S =0]=(NO )S >0-(NO )S =0 = f (CO, SEr).

Er Er Er Несмотря на это, можно считать, что обе части этого неравенства изменяются в зависимости от CO и SEr практически синфазно. В этом случае по зависимости tot tot (NO )S >0-(NO )S =0 = f (CO, SEr) определяется рельеф Er Er Рис. 3. Зависимость NEr = f (CO2, SEr) для пленок Er–O поверхности NO = f (CO, SEr). Сопоставляя поверхa-SiOx : H Er,O. (1–5) соответствуют (1–5) на рис. 1.

Er–O ности NEr, NO, IEr = f (CO, SEr), можно узнать, PL при каких условиях происходит смена состава эрбиевых кластеров. На рис. 2 показана зависимость Er–O tot tot NO =(NO )S >0-(NO )S =0 = f (CO, SEr). Как видно Er Er из рис. 2, зависимость претерпевает излом в области CO 6.5 мол%, который при SEr < 8мм2 имеет ярко выраженный вид хребта. Положение этого хребта хорошо согласуется с разрывом зависимости NEr = f (CO, SEr) при CO 5мол% (рис. 3), а также 2 tot Si–O с NO, NO, NEr, NSi и IEr = f (CO, SEr) при PL CO 6.5мол% [4] и объясняется нами изменением состава эрбиевых кластеров от [Er–O] к [Er–O–Si–O] [4].

При SEr 8мм2 хребет (CO 6.5мол%) начинает сглаживаться и пропадает уже при SEr 11 мм2.

С увеличением CO от 11 до 14 мол% появляется другой максимум, который несколько смещается по оси SEr (рис. 1, a, рис. 2). Существование максимума Er–O зависимости NO = f (CO, SEr) при CO 11 мол% и 2 SEr 8мм2 обусловлено увеличением потока кластеров tot [Er–O–Si–O], содержащих наибольшее количество Рис. 4. Характер влияния сочетаний NO и NEr на IEr для PL Er–O кислорода, связанного с эрбием, (NO ). Об этом пленок a-SiOx : H Er,O в зависимости от их расположения в tot пределах гипотетической области гомогенности. (1–5) соответ- свидетельствует рост NO с увеличением SEr при ствуют (1–5) на рис. 1. 6 — данные [4] для пленок, полученных CO = const, вызванный введением эрбия в систему при SEr 3мм2, CO2 - 6.5 и 9 мол%.

(рис. 1, a).

3) Известно, что локальное окружение эрбия, симметрия и химическая природа лигандов, т. е. его первая, в данном случае кислородная, координационная сфера, ния аморфной матрицы a-SiOx : H, но и с атомами Er, определяет излучательную активность эрбия [7].

водорода и др.

tot Si–O Выяснено, что при CO < 5 мол% ближайшее 2) Сравнения NO и NO для неодинаковых фиккислородное окружение эрбия состоит из 3 атосированных CO, как при SEr = 0, так и при SEr > мов [2,3,8]. Следовательно, увеличение IEr может быть (рис. 1, a), можно оценить содержание в пленках PL ph вызвано не только ростом NEr, но и существенным кислорода, связанного с эрбием при SEr > 0. В самом изменением ближайшего кислородного окружения деле, из сопоставления зависимостей состава пленок эрбия в сторону увеличения от 3 до 6 атомов.

и IEr от CO и SEr (рис. 1) при CO = const следует:

PL 2 Изменяется при этом и симметрия расположения количество кислорода, связанного со всеми другими атомов кислорода вокруг эрбия. Заполнение ближайшего атомами, кроме кремния матрицы и эрбия, в сумме кислородного окружения эрбия до 6 атомов, как это таково, что не подавляет ФЛ Er3+. Судя по всему, атомы неконтролируемой примеси, незначительно имеет место в равновесных системах, например уменьшая IEr, существенно не искажают ход кривых в кристаллических силикатах эрбия (Er2Si2O7, PL IEr = f (SEr). Кроме того, при сохранении состава Er2SiO5, Er4Si9O39), в Er2O3 и c-Si Er,O [9,10], может PL Si–O матрицы (NO = const), когда CO = const в произойти при создании в системе благоприятных для Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 982 Ю.К. Ундалов, Е.И. Теруков, О.Б. Гусев, В.Х. Кудоярова этого условий, каковыми являются наличие в газовой обусловлена взаимокомпенсацией процессов окисления фазе достаточного количества кислорода и ассоциатов и распыления Er-мишени, взаимодействием кислорода в [Er–O], [Si–O], взаимодействующих друг с другом. газовой фазе с эрбийсодержащими ассоциатами и некоПо-видимому, в нашей системе при CO 5мол% торым увеличением количества распыленного Er из-за и SEr 8мм2, когда в пленке NEr 0.1ат%, увеличения SEr. Как показывает эксперимент, несмотря tot tot tot [(NO )S >0-(NO )S =0] 15 ат% и NO 30 ат%, эти на допускаемый согласно [4] рост растворимости эрбия Er Er условия создаются: согласно рис. 1, b [4] и рис. 2, 3, в гомогенном виде в аморфной матрице a-SiOx : H путем в области CO (5-6.5) мол% происходит смена увеличения содержания кислорода в газовой фазе и в Er–O характера зависимостей NO, NEr = f (CO, SEr).

пленке, все попытки существенно поднять значение NEr Последнее сопровождается заменой ассоциата [Er–O] на (> 0.1ат%, т. е. > 5 · 1019 см-3) с целью увеличить ph кластер [Er–O–Si–O], что влечет за собой увеличение NEr и IEr практически свелись к нулевому результату PL IEr (рис. 1, c).

PL из-за окисления Er-мишени (в случае dc-магнетронного Атомная конфигурация Er–O, в которой эрбий имеет метода). В то же время в газовой фазе, по-видимому, наибольшее координационное число (6 атомов кислокислород находится в количестве, достаточном для рода), т. е. наибольшее число химических связей на образования вокруг эрбия первой и третьей координациатом, считается наиболее устойчивой [11]. Это в свою tot онных сфер, о чем свидетельствует увеличение как NO, очередь дает возможность образовываться и существо- tot Si–O Er–O tot tot NO -NO, NO (NO )S >0-(NO )S =0, так и IEr при Er Er PL вать в неравновесной системе второй — кремниевой NEr 0.1ат% (для SEr 8мм2) (рис. 1, a, b, c, рис. 2).

и третьей — кислородной координационных сфер эрРезультаты, приведенные на рис. 1, b, изображены на бия, т. е. ассоциату [Er–O–Si–O]. В то же время, в рис. 3 в виде зависимости NEr = f (CO ) при различных силу метастабильности системы, газовой фазы плазмы фиксированных значениях SEr. Несмотря на то, что в и аморфной матрицы в ассоциате [Er–O–Si–O] третья настоящей работе экспериментальные значения NEr для координационная сфера может не быть полностью заCO 5 мол% и различных SEr отсутствуют, мы считаем полненной атомами кислорода, как в равновесной сиразрыв зависимости NEr = f (CO, SEr), отмеченный на стеме, — например, как в силикатах эрбия [9]. Однако рис. 3 при CO 5 мол%, несомненно существующим.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.