Изобретение относится к способу получения люминесцентного материала - конвертера вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона в виде аморфной пленки оксида кремния SiOX 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 SiOX 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 SiOX 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 SiOX 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 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 SiOX, 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 SiOX, 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 SiOX (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 SiOX (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 SiOX (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 SiOX 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 SiOX, включающую молекулы O2, ионы
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.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
КОНВЕРТЕР ВАКУУМНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ИЗЛУЧЕНИЕ ВИДИМОГО ДИАПАЗОНА В ВИДЕ АМОРФНОЙ ПЛЕНКИ ОКСИДА КРЕМНИЯ SiO НА КРЕМНИЕВОЙ ПОДЛОЖКЕ | 2013 |
|
RU2526344C1 |
МАТЕРИАЛ ДЛЯ КОНВЕРСИИ ВАКУУМНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ИЗЛУЧЕНИЕ ВИДИМОГО ДИАПАЗОНА В ВИДЕ АМОРФНОЙ ПЛЕНКИ ОКСИДА КРЕМНИЯ SiOS НА КРЕМНИЕВОЙ ПОДЛОЖКЕ | 2014 |
|
RU2584205C2 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛЮМИНОФОРА В ВИДЕ АМОРФНОЙ ПЛЕНКИ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ С ИОНАМИ СЕЛЕНА НА КРЕМНИЕВОЙ ПОДЛОЖКЕ | 2012 |
|
RU2504600C1 |
ИМПЛАНТИРОВАННАЯ ИОНАМИ ОЛОВА ПЛЕНКА ОКСИДА КРЕМНИЯ НА КРЕМНИЕВОЙ ПОДЛОЖКЕ | 2013 |
|
RU2535244C1 |
СПОСОБ ИЗМЕНЕНИЯ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ | 2023 |
|
RU2809636C1 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИМПЛАНТИРОВАННОГО ИОНАМИ ОЛОВА КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА | 2011 |
|
RU2486282C1 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕРЕИЗЛУЧАЮЩИХ ТЕКСТУРИРОВАННЫХ ТОНКИХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ АМОРФНОГО ГИДРОГЕНИЗИРОВАННОГО КРЕМНИЯ С НАНОКРИСТАЛЛАМИ КРЕМНИЯ | 2015 |
|
RU2619446C1 |
Фотоактивный люминесцентный материал | 2022 |
|
RU2802301C1 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИМПЛАНТИРОВАННОГО ИОНАМИ ЦИНКА КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА | 2014 |
|
RU2568456C1 |
МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ДЕТЕКТОР РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЙ РЕНТГЕНОЛЮМИНОФОР ДЛЯ НЕГО, СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОЭЛЕМЕНТНОГО СЦИНТИЛЛЯТОРА И ДЕТЕКТОРА В ЦЕЛОМ | 2009 |
|
RU2420763C2 |
Изобретение относится к способу получения люминесцентного материала - конвертера вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона в виде аморфной пленки оксида кремния SiOX на кремниевой подложке, предназначенного для создания функциональных элементов фотонных приборов нового поколения, а также для контроля жесткого ультрафиолетового излучения в вакуумных технологических процессах. Осуществляют имплантацию в вышеуказанную пленку ионов кислорода с последующим отжигом при температуре 700-900°С в течение 0,5-1 часа в атмосфере сухого азота. Для имплантации используют конвертер в виде аморфной пленки оксида кремния толщиной 20-70 нм, имплантацию проводят с энергией ионов, величину которой определяют по формуле
Способ получения конвертера вакуумного ультрафиолетового излучения в излучение видимого диапазона в виде аморфной пленки оксида кремния SiOX 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, отличающийся тем, что для имплантации используют конвертер в виде аморфной пленки оксида кремния толщиной 20÷70 нм, имплантацию проводят с энергией ионов, величину которой определяют по формуле
Buntov E.A | |||
et | |||
al | |||
Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов | 1917 |
|
SU2A1 |
Устройство звонковой электрической сигнализации для школ | 1929 |
|
SU13650A1 |
US 20050152824 A1, 14.07.2005 | |||
US 7589002 B2, 15.09.2009 | |||
JP 2004083299 A, 18.03.2004 |
Авторы
Даты
2014-11-27—Публикация
2013-01-10—Подача