Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОНВЕРТЕРА ВАКУУМНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ИЗЛУЧЕНИЕ ВИДИМОГО ДИАПАЗОНА В ВИДЕ АМОРФНОЙ ПЛЕНКИ ОКСИДА КРЕМНИЯ SiO НА КРЕМНИЕВОЙ ПОДЛОЖКЕ

Изобретение относится к способу получения люминесцентного материала - конвертера вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона в виде аморфной пленки оксида кремния SiO_X на кремниевой подложке. Конвертер предназначен для создания функциональных элементов фотонных приборов нового поколения с использованием 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 «тонкой» технологии.

В статье [ЖТФ, 2012, т.82, вып.2, стр.153-155] описан способ получения люминесцентных материалов на основе (CaO·0,5Al₂O₃·5SiO₂):Eu и (СаО·0,2Al₂O₃·SiO₂):Eu с добавкой B₂O₃ в количестве 3 вес.%, которые могут быть использованы в качестве конвертеров ближнего ультрафиолетового излучения (пик излучения 3,2 эВ или 380 нм) в видимое излучение (350-675 нм, 1,84-3,54 эВ). Способ основан на методе прямого твердофазного синтеза при температуре 1350°С в вакууме.

Недостаток получаемых конвертеров заключается в том, что они обеспечивают преобразование в видимый свет только ближнего ультрафиолетового излучения, отсутствует возможность конверсии вакуумного ультрафиолетового излучения, которое представляет интерес для космического приборостроения, солнечной энергетики, а также при контроле наличия или отсутствия жесткого ультрафиолетового излучения в технологических процессах, например при создании микросхем по 32-нанометровой и более «тонкой» технологии.

Ближайшим к предложенному является описанный в статье [Journal of Non-Crystalline Solids 357 (2011) 1977-1980] способ получения люминесцентного материала в виде аморфной пленки оксида кремния SiO_X на кремниевой подложке, работающего в качестве конвертера жесткого (вакуумного) ультрафиолетового излучения (8,25÷10,25 эВ или 150,18÷120,88 нм) в видимое излучение (1,5÷3,0 эВ, 413÷826 нм). Способ основан на получении конвертера вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона в виде аморфной пленки оксида кремния SiO_X толщиной 500 нм на кремниевой подложке путем внедрения в указанную пленку ионов кислорода имплантацией с энергией ионов 100 кэВ при флюенсе 5·10¹⁶ ион/см² с последующим отжигом при таких известных параметрах: температура 700-900°С и длительность 0,5-1 часа в атмосфере сухого азота.

Способ-прототип обеспечивает изготовление конвертера жесткого (вакуумного) ультрафиолетового излучения (8,25÷10,25 эВ или 150,18÷120,88 нм) в видимое излучение (1,5÷3,2 эВ, 387÷826 нм). Этот конвертер имеет излучение в видимой области спектра с отношением интенсивности пика красного излучения (1,9 эВ) к интенсивности излучения середины остальной части видимого спектра (2,55 эВ), равным 1,87 (Фиг.1).

Недостатком способа-прототипа является создание конвертера с видимым спектром излучения (1,5÷3,2 эВ), содержащим красную, оранжевую, зеленую, голубую, синюю и фиолетовую компоненты с преобладанием красной компоненты. При этом свечение имеет смешанный характер, не является ни чисто белым, ни чисто красным.

Задачей изобретения является создание способа получения конвертера вакуумного ультрафиолетового излучения в видимое излучение, обладающего повышенной интенсивностью красного излучения и обеспечивающего преимущественно красное свечение при сохранении конверсии вакуумного ультрафиолетового излучения.

Для решения поставленной задачи способ получения конвертера вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона в виде аморфной пленки оксида кремния SiO_X на кремниевой подложке путем внедрения в указанную пленку ионов кислорода имплантацией с последующим отжигом при температуре 700-900°С в течение 0.5-1 часа в атмосфере сухого азота отличается тем, что для имплантации используют конвертер в виде аморфной пленки оксида кремния толщиной 20-70 нм, имплантацию ведут с энергией ионов, величина которой определяется по формуле

где

Е - энергия фотонов, 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;

d - толщина аморфной пленки диоксида кремния, выбирается в пределах от 20 до 70 нм;

x - стехиометрический коэффициент, величина безразмерная, выбирается в пределах от 2,01 до 2,45.

Техническим результатом использования предложенного способа является повышение эффективности получаемого конвертера вакуумного ультрафиолетового излучения в видимое свечение, а именно увеличение интенсивности красного излучения конвертера в 1,2÷2,7 раза и обеспечение красного свечения. Последнее достигается за счет того, что в излучении конвертера отношение интенсивности пика красного излучения (1,9 эВ) к интенсивности излучения середины остальной части видимого спектра (2,55 эВ) находится в диапазоне от 2,35 до 7,65 (таблица).

При толщине, получаемой предложенным способом, аморфной пленки оксида кремния менее 20 нм происходит деградация структуры материала и ухудшение люминесцентных свойств конвертера вследствие увеличения количества структурных дефектов, являющихся центрами тушения люминесценции. При толщине пленки более 70 нм усложняется технология получения конвертера, требуется использование ионного источника с повышенной энергией и увеличение времени имплантации, что нецелесообразно.

При стехиометрическом коэффициенте «x», равном или большем значения 2,01, обеспечивается наличие в получаемом конвертере дополнительных центров красного излучения и соответствующее увеличение интенсивности красного излучения. Однако при значениях стехиометрического коэффициента «x», больших значения 2,45, происходит ухудшение люминесцентных свойств конвертера вследствие влияния повышенного количества отрицательных ионов кислорода на единицу объема аморфной пленки оксида кремния - возникает эффект концентрационного тушения люминесценции.

На фигурах 1, 2 и 3 изображены спектры излучения известного и полученного конвертеров, а также спектр возбуждающего вакуумного излучения, при этом по вертикальным осям отложены интенсивности излучения в относительных единицах (отн.ед.), по горизонтальным - энергия фотонов излучения (эВ).

Фиг.1 - спектр излучения конвертера, представляющего собой известный люминесцентный материал в виде имплантированной ионами кислорода аморфной пленки оксида кремния SiO₂:O⁺(или SiO_X, где х=2) толщиной 500 нм на кремниевой подложке [Journal of Non-Crystalline Solids 357 (2011) 1977-1980, Figure 1 (O-related centers)].

Фиг.2 - спектр излучения предложенного конвертера в виде аморфной пленки оксида кремния SiO_X, где х=2,23, толщина пленки 45 нм.

Фиг.3 - спектр возбуждения фотолюминесценции предложенного конвертера в области ультрафиолетового излучения.

Фиг.4 демонстрирует используемую при получении конвертора вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона зависимость энергии Е имплантируемых ионов O⁺(вертикальная ось, кэВ) от требуемой толщины d аморфной пленки оксида кремния SiO_X (горизонтальная ось, нм).

Фиг.5 показывает используемые при получении конвертора вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона калибровочные зависимости флюенса F (вертикальная ось, ион/см²) от требуемой толщины d аморфной пленки оксида кремния SiO_X (горизонтальная ось, нм) для нескольких постоянных значений стехиометрического коэффициента «x» (А при х=2,01, Б при х=2,23, В при х=2,45).

Фиг.6 демонстрирует используемые при получении конвертора вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона калибровочные зависимости флюенса F (вертикальная ось, ион/см²) от стехиометрического коэффициента «x» (горизонтальная ось, величина безразмерная) для нескольких постоянных значений толщины d аморфной пленки оксида кремния SiO_X (Г при 20 нм, Д при 45 нм, Ж при 70 нм).

В таблице приведены параметры известного способа-прототипа получения образца 1 конвертера и предложенного способа получения нескольких образцов 2, 3 и 4 конвертера, а также параметры указанных образцов конвертера.

Имплантация ионов кислорода в аморфную пленку оксида кремния SiO_X на кремниевой подложке осуществлялась с помощью ионного источника, работающего в непрерывном режиме при указанных в таблице параметрах и вакууме (1,4÷2,5)·10^-4 Торр. Перед облучением образцы материала промыты в спирте в ультразвуковой ванне.

Отжиг производился в атмосфере сухого азота с использованием электропечи сопротивления (типа НТ 40/16).

Полученные образцы конвертера представляют собой плоскопараллельные пластины площадью 1 см², толщиной 0,5 мм, с поверхностью оптического качества. Поверхностный слой каждого образца представляет собой аморфную пленку оксида кремния SiO_X, включающую молекулы O₂, ионы , а также точечные дефекты, созданные в процессе ионной имплантации. Нижележащая основа образца состоит из нелегированного диоксида кремния. Фотолюминесценция полученного конвертера возбуждалась вакуумным ультрафиолетовым излучением (фиг.3) с энергией фотонов в интервале 8,5÷40,5 эВ с помощью синхротрона DESY, через монохроматор. Люминесцентные спектры регистрировались фотоумножителем R6358P Hamamatsu.

Люминесцентный спектр излучения образца 1 конвертера-прототипа приведен на фигуре 1. Спектры излучения образцов 2 и 4 по форме соответствуют спектру излучения образца 2 (фиг.2), отличаясь интенсивностями излучения, указанными в таблице.

Ниже описаны примеры изготовления образцов конвертера. Номера примеров соответствуют номерам образцов в таблице.

Пример 1 (прототип). Имплантацию ионов O⁺ ведут в образец в виде аморфной пленки оксида кремния толщиной 500 нм на кремниевой подложке при энергии ионов 100 кэВ и флюенсе 5·10¹⁶ ион/см². Отжиг производят в атмосфере сухого азота при температуре 900°С в течение 1 часа. Интенсивность пика красного излучения с энергией 1,9 эВ равна 1 отн.ед., а отношение интенсивности излучения с энергией 1,9 эВ к интенсивности излучения с энергией 2,55 эВ равняется 1,87. Видимое излучение такого конвертера смешанный характер.

Пример 2. Имплантацию ионов O⁺ ведут в образец в виде аморфной пленки оксида кремния толщиной 20 нм на кремниевой подложке при рассчитанных по формулам (1) и (2) энергии ионов 3,7 кэВ и флюенсе 4,4·10¹⁵ ион/см². Отжиг производят в атмосфере сухого азота при температуре 850°С в течение 50 минут. Интенсивность пика красного излучения с энергией 1,9 эВ равна 1,2 отн.ед., а отношение интенсивности излучения с энергией 1,9 эВ к интенсивности излучения с энергией 2,55 эВ равняется 2,35. Излучение полученного конвертера является красным.

Пример 3. Имплантацию ионов O⁺ ведут в образец в виде аморфной пленки оксида кремния толщиной 45 нм на кремниевой подложке при рассчитанных по формулам (1) и (2) энергии ионов 8,4 кэВ и флюенсе 2,4·10¹⁶ ион/см². Отжиг производят в атмосфере сухого азота при температуре 800°С в течение 40 минут. Интенсивность пика красного излучения с энергией 1,9 эВ равна 2,7 отн.ед., а отношение интенсивности излучения с энергией 1,9 эВ к интенсивности излучения с энергией 2,55 эВ равняется 7,83. Излучение полученного конвертера (фиг.2) является красным.

Пример 4. Имплантацию ионов О⁺ ведут в образец в виде аморфной пленки оксида кремния толщиной 70 нм на кремниевой подложке при рассчитанных по формулам (1) и (2) энергии ионов 13,2 кэВ и флюенсе 7·10¹⁶ ион/см². Отжиг производят в атмосфере сухого азота при температуре 750°С в течение 30 минут. Интенсивность пика красного излучения с энергией 1,9 эВ равна 2,1 отн.ед., а отношение интенсивности излучения с энергией 1,9 эВ к интенсивности излучения с энергией 2,55 эВ равняется 7,65. Излучение полученного конвертера является красным.