Особенности свойств чистых и активированных редкоземельными элементами полупроводниковых пленок, выращенных фотостимулированной эпитаксией тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ АКАДЕМИИ НАУК СССР

На правах рукописи УДК 537.632

СИДОРОВ Павел Петрович

ОСОБЕННОСТИ СВОЙСТВ ЧИСТЫХ И АКТИВИРОВАННЫХ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНОК, ВЫРАЩЕННЫХ ФОТОСТИМУЛИРОВАННОЙ ЭПИТАКСИЕЙ

(специальности: 05.27.06 - технология полупроводников и

материалов электронной техники; 01.04.10 - физики полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

Работа выполнена в Физическом институте им.П.Н.Лебедева АН СССР

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук С.Н.МАКСИМОВСКИЙ

доктор физико-математических наук М.В.ФОК,

кандидат физико-математических наук

Ж.А.ПШИЙ

Московский Энергетический институт

Защита состоится "?Я " сентября 1992 г. в " часов на заседании Специализированного Совета й 6 Д 003.49.04 Института общей физики АН СССР по адресу:-117942, Москва, ул.Вавилова, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФАН СССР.

Автореферат разослан

Ученый секретарь ' Специализированного совета-^ 6, к.ф.-м.н.

В.Б.Сигачев

РОССиЙСК'Л.Т ""."■.■".";

нптг:СВШ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ '

Исследования люминесценции твердых тел, проводквшеся на про-тялепия целого столетня сделали возможным создание различите типов приборов излучащнх свет (люминесцентных приборов). Среди особо вы-дащихся достижений необходимо отметить создание телевидения и лазеров.

Исследования последних лет направлены на повышение интенсивности излучения лазеров, уменьшение энергоемкости электронно-лучевых трубок, увеличение эффективности работ различию: светоизлучаю-щих устройств и разработку новых концепций их создания.

Новейшие типы светоиэлучшощих приборов основаны на тонкопленочных структурах. Развитие технологии получения пленок полупроводников и .диэлектриков открыло возможности создания большого многообразия приборов, и возможности эти еще далеко не использованы окончательно.

Определяющее значение при достижении высокой эффективности светоизлучащих приборов имеет технология их создания. В особенннос-ти это проявляется .для приборов на основе тонких пленок. 3 связи с этим, больисе значение имеет создание таких технологий, когорые-бы позволили: получать пленки с высокими излучательныш характеристика!™. Среди них, на сегодняшний день, выделяются две - это молеку-лярно-лучевая зпитаксия и металл-органическая эггатакетя из парозой фазы.

Однако, этим технологиям присущи некоторые недостатки, а именно, во-первых, высокая стоимость и сложность технологического оборудования, во-вторых, - невозможность их применения для получения пленок некоторых очень важных соединений таких, например, как окси-сульфида РЗЭ. Использование металл-органических соединений несет с собой опасность для ялзни и здоровья обслуялвавдего персонала.

- 3 -

В связи с вышеизложенным, очевидна необходимость разработки новых технологий, обеспечивающих требуемое качество пленок, а также возможность создания пленок с принципиально новыми свойствами. В связи с этим большой интерес привлекают технологии, использующие нетермические процессы активации роста, например, стимуляция световым излучением (фотостимулированная эпитаксия). В настоящее время процессы фотодиссоциации широко используются в металл-органической эпитаксии из паровой фазы. Зто позволяет добиться разложения металл-органических соединений при низких температурах эпитаксии, что ио-выаает степень чистоты пленок, поскольку уменьшается вероятность загрязнения неконтролируемыми примесями из-за нагрева стенок реактора.

Целью настоящей работы является:

Разработка новых технологических методов получения чистых и активированных редкоземельными элементами полупроводниковых пленок, основанная на испарении полупроводниковых и других соединений при помощи электромагнитного излучения, что должно обеспечивать получение пленок различных оптоэлектронных соединений с заданными параметрами.

Научная новизна и защищаете положения.

1. Впервые осуществлен перенос через паровую фазу и выращивание пленок оксисульфидов редкоземельных элементов. Эти соединения, разлогающиеся при термическом испарении, ранее не удавалось получить в вице пленок из паровой фазы. Используя испарение световым излучением порошков КЕ^ О2 ¿> , удалось получить плешей из паровой фазы с совершенной структурой и интенсивной люминесценцией.

2. Использование светового излучения для испарения порошков ¿Г/,' 6".' Тт позволило полутать пленки ¿л 3 ' ¿т , обладающие интенсивной люминесценцией в голубок диапазоне спектра.

- 4 -

3. Впервые получены напряженные структуры '¿а £e/gi методом

парофазной эпитаксии, обладающие интенсивной краевой люминесценцией при комнатной температуре. Это обеспечивалось фотостимулирован-ной эпитаксией переходного слоя на поверхности $1 толщиной около

Практическая ценность работы:

1. Разработана технология получения пленок оксисулъфидов РЗЭ из паровой фазы с высокой степенью упорядочения кристаллической структуры и интенсивной люминесценцией.

2. Создана экспериментатьная установка для выращивания пленок люминесцентных материалов, методом светового испарения. Технологический реактор позволяет проводить процессы в диапазоне давлений

_0

газа от 10 до 700 Topp, что позволяет исследовать зависимости качества структур от условий выращивания, в частности от величины .давления газа носителя.

3. Показано, что на основе пленок оксисульфида лантана и иттрия, выращенных методом светового испарения при 650°С возможно создание структур на кремнии. Это позволит использовать их в приборах оптоэлектроникя.

Апробация работы. Материалы диссертации догадывались на УП Всесоюзной конференции по росту кристаллов, Москва - 1988г., I Всесоюзной конференции по физическим основам твердотельной электроники, Ленинград - 1989г., ¡Уе?/ ^т/ю^ь-т

а также на Общемосковском семинаре "Спектроскопия лазер;шх кристаллов" п.р. А.А.Каминского.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из четырех глав, введения и заключения. В первой главе приводится литературный обзор современных технологических методов получения оптоэлектронных структур. Приводятся

о

50 А.

параметры технологических установок, их стоимость, экологическая безопасность. Описывается фотостимулированная эпитшссия как альтернативная технология.

Во второй главе описана технология получения пленок ве, использулцая испарение ¡¿п Зе электромагнитным излучением. Показшш оптимальные режимы получения пленок, выбранные с учетом данных, полученных из исследования фотолюминесценции при 77 К. Исследованы структура и свойства пленок, проведены сопоставления спектрально-люминесцентных свойств пленок, полученных фотостимулированной эпи-таксией и методом М1Э.

В третьей главе описана технология получения пленок соединений легированных редкоземельными элементами под воздействием электромагнитного излучения. Описываются исследования состава, структуры и люминесценции полученных пленок.

В четвертой главе описаны результаты разработки новой технологии получения пленок оксисульфицов РЗЭ из паровой фазы. Проводятся исследования их состава, структуры, люминесценции примесных активированных центров. Получены спектры люминесценции пленкахУя02 в с высоким разрешением.

В заключении приводятся основные результаты работы. Общий объем работы составляет 85 страниц, включая 23 рисунка и II таблиц. Библиография состоит из 66 наименований.

Публикации. Результаты .диссертации отражены в семнадцати печатных работах, включая .два авторских свидетельства.

СОДЕРНАНИЕ РАБОТЫ

В последнее время, наиболее широко .для получения оптоэлектрон-цых структур используются метода ыолекулярно-лучевой эпитаксии и металл-органической зпитаксии из паровой фазы. Ранее пленки опто-электрошшх соединений б'^' ж/^лЗ' получались вакуумным напыле-

- 6 -

гаем из одного источника. Однако, эти соединения имеют низкую упругость паров. Поэтому, для достижения скоростей роста порядка 0,1-1 мкм/час требовался нагрев источника материала до очень высоких температур до 950°С, для 2/7 £> до 1000°С). Это приводило к тому, что из нагревательных элементов ячеек в атмосферу роста попадают неконтролируемые примеси, которые в последствии загрязняют растущий слой и ухущают его оптоэлектрошше характеристики.

Основой истода фотостимудировшшой эпитаксии является эпитак-сия из паровой фазы. Перенос вещества осуществляется за счет .диффузии компонентой испаряемого вещества через паровую фазу. Управляя пересыщением можно управлять скоростью роста и кристаллическим совершенством пленок. В некоторых случаях, управляя пересыщением возможно управлять отклонением от•стехиометрии и процессами легиро-вагегя.

В случае, когда испаряемое вещество (металл, халькоген, соединение) и подложка только нагревается, процессы роста регулируются термодинамическими характеристиками данного полупроводникового соединения.

В методе фотостимулированной эпитаксии, дополнительно к нагреву подложки добавляется воздействие на параметры роста в пограничном слое пар-поверхность электромагнитного излучения со сплошным спектром в .диапазоне длин волн от 0,25 до 1,2 мкм от ксеноновой лампы высокого давления, Обычно интенсивность облучения не превы-

о

шает величины 0,1 Вт/см . При такой интенсивности перегрев поверхности подложки не превышает 50°С. Такой перегрев не столь значительно увеличивает коэффициент поверхностной диффузии адатомов,чтобы с его помощью можно было полностью объяснить те эффекты,которые наблюдаются при фотостимулированной эпитаксии.

В случае фотостимуляции роста дополнительная энергия передается

- 7 -

а цатомам за счет сложного перераспределения энергии поглощенного поверхностью электромагнитного излучения (в диапазоне 1-4 эВ). Процессы, ответственные за преодоление активавдонных барьеров, не могут сейчас быть определены в законченной форме.

Как уже указывалось ранее, использование резистивного нагрева труднолетучих соединений приводит к тому, что в атмосферу роста выделяются неконтролируемые примеси из деталей нагревательных ячеек. Поэтому необходимо было найти способ получения пленок из паровой фазы без использования резистивного нагрева источников до высоких температур. Таким способом оказалось испарение соединений при помощи светового излучения.

Данная работа посвящена разработке методов получения пленок различных материалов оптоэлектроники, таких как¿7? -За , соединения легированные РЗЭ, оксисульфиды РВЗ {ИВгО^З )• которые базируются на эффекте испарения этих соединений при помощи электромагнитного излучения.

Описание технологического метода получения пленок 2л5е и устройства .для его реализации

Для успешного решения задачи получения пленок-2п5'е , люми-несцнрующих при 300 К в голубой области спектра необходимо прежде всего избавиться от неконтролируемых примесей в ростовой камере. Это обеспечивается низкой температурой нагрева стенок кварцевого реактора до 500°С. Однако необходимо поддерживать интенсивность испарения пихты ¿'в , обеспечивающую скорость роста пленок в пределах 0,5-1 мкм/час. Данная скорость позволяет осуществлять выращивание структур за разумный промежуток времени 2-4 часа (включая очистку подложек), кроме того при более низких, чем 0,5 мкм/час скоростях условия роста становятся нестабильными.

Такая интенсивность испарения обеспечивалась путем фокусировки на шихту электромагнитного излучения ксеноновой лампы высокого

- 8,-

.давления в .диапазоне спектра 0,25-1,2 мкм, а рост сттмулировался излучением низкой интенсивности.

Для проведения процессов эпитаксии д других соединений

был разработан технологический реактор из кварца. Система вакуумной откачки с автоматической системой натеканил "СНА-2" позволяла

_2

прово.дить процессы эпитаксии в диапазоне давлений водорода от 10 до 700 Topp. Использование чистого водорода в качестве атмосферы выращивания обусловлено следующим! соображениями. Во-первых, система диффузионной очистки водорода через палладиевые фильтры позволяет получать, на сегодняшний день, наиболее высокую степень чистоты газа, по сравнении с инертными газами промышленного производства. Во-вторых, водород обладает восстанавливающей способностью, что обеспечивает очистку поверхности подложки и растущего слоя от кислорода и углерода, наличие которых резко сшкает качество кристаллизации. Пленки выращивались при температуре подложек 500°С, которая определялась температурой стенок реактора, нагреваемое печью сопротивления. Данная температура является предельно допустимой, поскольку уге при 480°С наблюдается заметная диффузия компонентов материала подложки в пленку. Облучение подложек с интенсив, р

ностью от ОД Вт/см , это приводит к полшению температуры поверхности подложки ка 50°С, поэтому стенки аппарата нагревались до 450°С.

Отсутствие нагревательных элементов внутри ростовой камеры снизило степень загрязнения пленок. Достоинство метода испарения при помощи электромагнитного излучения заключается в том, что осуществляется нагрев только поверхности испаряемого соединения, а остальные детали технологического оборудования перегреваются незначительно.

Устройство позволяет осуществлять эпитаксию при динамической

о

откачке водорода в диапазоне 10-700 Topp. Давление в диапазоне

- 9 -

I0-2-I Topp измерялось вакууметром ВИТ-3, а в диапазоне 1-700 Topp манометром ОБМВ I-I60 с точностью Щ2. Это позволяет определить требуемый режим выращивания в зависимости от поставленной задачи. Следует упомянуть, что понижение .давления в ростовой камере приводит к уменьшению размеров зародышей по высоте, что обеспечивает образование более пленарных границ раздела. Однако, этот режим накладывает более жесткие требования к системе уплотнения, поскольку возможен подсос атмосферного воздуха и загрязнения пленок. Поэтому необходим выбор требуемого режима получения пленок 2ngec заданной люминесценцией.

Для выбора оптимального режима получения пленок&л «Уе в данном методе были проведены эксперименты по выяснению зависимости скорости роста от интенсивности облучения шихты и давления водорода в камере роста.

Измерение интенсивности облучения проводилось еле.дующим обра-■ о

зом. В металлической пластине прорезалось отверстие площадью I см ,

и через ото отверстие излучение лампы пропускалось на головку измерителя мощности "Liaßmasf-teiC фирмы "LolieReni", который помещался в область шихты и подложки. Соответствующие значения мощности измеряемой прибором сопоставлялись со значениями тока питания лампы. В последствии мощность потока определялась через ток питания во время процесса. Таким образом, можно было с погрешностью определять интенсивности облучения во время процесса роста, толщины пленок определялись на электронном микроскопе "BS-300" п0 сколу.

Для режимов получения пленок ^n Sa получены зависимости скорости роста от давления водорода в аппарате при прочих равных условиях (табл.1) и скорости роста от интенсивности облучения при прочих одинаковых условиях (табл.2). В последствии эти зависимости применялись для выбора требуемых ыговий выращивания обеспечивающих наибольшую степень совершенства кристаллической структуры.

- 10 -

ТАБЛИЦА I.

Зависимости скорости роста пленок ¿Г л Зб от давления водорода в реакторе при интенсивности облучения шихты 20 Вт/см2 и подложки 0,1 Вт/см2

Давление водорода (Topp) - 10$

10

i-2

Т

5-10'

,-2

10"

rl

70

700

Скорость роста

(мкм/час) Подложка

GaJls

2,5 2

2 1,6

1,5 1,1

0,9 0,8

0,6 0,4

Выбор требуемых реетмов внраяоизания совершенных пленок Zn Зе проводился на основании .данных структурного анализа и люминесцентных исследований.

ТАБЛИЦА 2.

Зависимости скорости роста от интенсивности облучения при давлении водорода в реакторе равного 70 Topp ¿10$?

Интенсивность облучения (Вт/см2) -10$

15

25

Скорость роста

Тмкм/час) Подложка

Go-ßS 0,2 0,5 0,7 0,9 1,5

Si 0,1 0,3 0,5 0,8 1,2

Качество кристаллической структуры определялось методом рентгеновской дифракции. Рентгенограммы содержат рефлексы кратные (100), что говорит об ориептации пленок в плоскости параллельной

- II -

5

8

О

поверхности (100) Qüü^. Определена зависимость ширин пиков Zn Se Q К от скорости роста при температуре подложек равной 500°С и давлении водорода около 70 Topp, которая представлена в табл.З. Условия роста при скоростях ^ 0,5 мкм/час являются неустойчивыми, пленки могут вовсе не расти.

Вторая методика определения требуемых режимов выращивания основывается на исследовании спектров фотолюминесценции (ФЛ) при низком уровне возбуждающего излучения (интенсивность меньше

о

100 мВт/см ). Известно, что характер спектров ФЛ при 77 и 4,2 К сильно чувствителен к наличию в материале дефектов и примесей.

ТАБЛИЦА 3.

Зависимости ширин рефлексов (400) от пленок¿^толщиной 0,5 мкм от скорости роста при температуре подложек 500°С

о

и интенсивности облучения 0,1 Вт/см

Скорость роста (мкм/час) -10$

| 0,5 | 0,8 | I | 1,5 | 2 Г~3

Ширина рефлекса

(мин) Подложка

(100) в! 16 18 18,5 19 22 25

(ЮО) 6 7 9 II II 13

В зависимости от степени совершенства и чистоты интенсивность в этих областях бывает различна. Показателем качества пленок 2п йе.обычно считают превышение интенсивности в первых двух областях, то есть краевого излучения над полосами излучения глубоких уровней. Кроме того, необходимо добиваться, чтобы интенсивность излучения экситонов была сравнима с зштенсивностью ДАЛ при 77 К. Так при получении хиенокИп на 15/ методом МЛЭ вначале трудно добиться превышения интенсивности экситонной лшпш над интенсив- 12 -

ностью полосы глубоких уровней, что связывалось с загрязнением пленок во время роста и плохой их структурой. Для определения оптимального режима выращивания была исследована зависимость отношения интенсивности экситонной линии и интенсивности полосы ДАЛ от скорости роста и .давления-водорода, для чего исследовались спектры ФЛ при 77 К.

Спектры ФЛ снимались на монохроматоре ДЬС-12 с линейной .дисперсией 0,5 нм/мм. Регистрация осуществлялась с помощью ФЭУ-83, охлаждаемого жидким азотом, работающего в режиме синхронного детектирования.

Возбуждение образца осуществлялось УФ излучением от ксеноно-вой лампы, пропущенным через фильтр УФС-2 в .диапазона .длин волн

о

0,25-0,4 мкм. Интенсивность составляла 50 мВт/см . В области дав-о

лений 10 -I Topp интенсивность краевой полосы была на порядок

шгаз. Наибольшей интенсивностью лхмннесцепции в краевой области

обладают пленки, полученлые при давлениях водорода в пределах от

_2

50 до 90 Topp. В пленках, выращенных при давлениях 10 -I Topp присутствует в спектрах интенсивная полоса в зеленой области спектра, что, по-видимому, вызвано загрязнением пленки во время роста, за счет .диффузии атмосферного воздуха в аппарат. В табл.4 представлена зависимость отношения I экс/I дап от скорости роста из которой видно, что это значение наилучшее в .диапазоне скоростей роста 0,5-0,8 мкм/час. Из зависимостей структурного совершенства от скорости роста также определено, что диапазон скоростей роста лечит в области 0,5-1 мкм/час.

Наибольшая интенсивность краевого излучения наблюдается у пленок-Л п 8е выращенных в .диапазоне давлений водорода от 50 до 90 Topp. Стандартные режимы выращивания определены при давлении водорода около 70-80 Topp. ,

ТАБЛИЦА 4.

Зависимости отношений штенсивностей зкситонной линии 2,707 аВ при 77 К и полосы мелких ДАЛ 2,68 эВ от скорости роста при интенсивности облучения подложки 0,1 Вт/см2 и температуре 500°С

Скорость роста (мкм/час) IQS 0,5 j 0,8 | I j 1,5 j 2 | 2,5

Отношение интепсив-ностей

I экс/1 дап

$1 0,5 0,5 0,4 0,35 0,3 0,2

ß&Js 0,8 0,75 0,5 0,5 0,35 0,2

Таким образом, по данным структурных и люминесцентных исследований определено, что в методе фотостимулированной эпитаксии

> требуемыми режимами .для получения пленок высокого совершен ства являются следующие: давление водорода в реакторе в диапазоне 50-90 Topp, скорость в пределах 0,5-0,8 мкм/час для подложек (100

Él к 0,8-1 мкм/час для (I00)Qcbf}ä интенсивность облучения подло р

ки 0,1 Вт/см . При таких условиях выращивания структурные и лташ-несцентно- спектральные свойства пленок Чл\\ £>б являются наилучшими и для стандартного давления /0 Topp.

Перед процессом эпнтакешх проводилась подготовка подложек методом фотостимулирсванной счистки.

Структура и люминесцентные свойства пленок «Зв» ^bipacieincíx на различных подложках

Пленки t,r)g>G выращивались на подложках Gal\s,& ,ZnS.

Методом проевсчивавцей электронной микроскопии исс-лецовалась

структура пленок Zп öS на Ol . На поверхности^'- образуется пере

о

ходио& слой толщиной 50 А в результате реакций, имеющих место в

- 14 -

процессе обработки подложки. В пленках обнаружены микро.двойники, которые свойственны для пленок ZjD бе на £>L и обуславливают снижете интенсивности ФЛ пленок.

Исследования спектров ФЛ показали, что существует зависимость между интенсивностью краевого излучения пленок на ff с и нали-

чием переходного слоя. В пленках, выращенных на переходном слое интенсивность излучения экситонов выше чем в пленках, выращенных непосредственно на SI • Экситонше лиши в пленках Zn£e на уширены по сравнению с пленками на Go/\s , о чем упоминалось

и что связывалось с разупорядоченкем структуры пленок на и микро.цво&гакамл. Обнаружена зависимость интенсивности излучения пленок Zn %е на SL от ориентации подложки. Интенсивность краевого излучения при 77 К пленок, выращенных на (100) Sc на порядок превыиает интенсивность краевого излучения пленок, выращенных на (III) St • При ко.'ягатнсй температуре в пленках ва (III) ßi краевое излучение зарегистрировать не удалось, в то время, как пленки на (100) St обладали голубым красвшл излучением с максимумом 2,69 эВ. Это указывает ка тот факт, что условия образования совершенной структуры на поверхности (100) более оптимальны чем на поверхности (III). Cpamieinie спектров ФЛ пленок ZnS(-\ полученном методом МЛЭ на 31 со спектрами, пленок Неполученных фотостимулирозациоЗ эппхаксией на , позволяет сделать вывод, что их лЕмпнесценпше свойстса практически нлектхгпш, даже указывалось, что полоса глубоких уровней при 77 К интенсивней чем экситоннач линия, чего не замечено в плешсах, полученных фото-стимулированной эпитаксией.

Исследования люминесценции ¿п -Sg при нестационарном воз-буждента показали, что характер излучения при этом отличается от характера при гатзком уровне стационарного возбуждения (ФЛ).

Спектры люминесценции пленок при 300 К на различных подложках

- 15 -

отличаются друг от друга. В спектрах пленки на и б"

доминирует полоса с максимумом 2,69 эВ и полушириной 30-45 мэВ. Энергетическое положение максимума этой полосы обусловлено рекомбинацией свободных носителей.

В спектрах пленки на 3 доминирует полоса с максимумом 2,66 эВ и полушириной 65 мэВ. В данном случае излучение обусловлено рекомбинацией .дырок с электронами, связанными . Интенсивность этой полосы излучения на три порядка интенсивнее полосы 2,69 эВ в нелегировашшх пленкахна. Это можно использовать при разработке технологии создания светоизлучахщих приборов голубого .диапазона.

Таким образом, можно сделать вывода, что разработана технология получения пленок Кп при помощи испарения шихты электромагнитным излучением в .диапазоне 0,25-1,2 мкм. Процессы выращивания осуществлены при температуре подложек в районе 500°С. Пленки ИпЛе обладают голубой краевой люминесценцией при 77 К и 300 К, а спектры вЛ говорят о малом количестве неконтролируемых примесей.

Описание технологического метода получения

и ут

пленок А В и определение режимов выращивания пленок с наиболее интенсивной люминесценцией

Для получения пленок Л%У1, легированных РЗЭ с интенсивной люминесценцией при 300 К необходимо добиться равномерного распределения РЗЭ в пленках при концентрациях 0,1-1 масс % и активации центров РЗ ионов в трехвалентном состоянии с высокой интенсивностью свечения. Для этой цели был разработан способ получения пленок основанный на испарении соединений РЗЭ или порошков

П УТ

А В синтезированных с РЗЭ при помощи электромагнитного излучения в оптическом .диапазоне и роста пленок при фотостимуляции поверхностных процессов на подложке. Способ защищен авторским свидетель- 16 -

ством. Пленки выращивались в технологическом реакторе,

подобном тому, в котором выращивались пленки К П «Зб.

Температура подложек поддерживалась в районе 450-500°С, поскольку эта температура ограничена сверху свойствами проводящих слоев ¿^пОц в электролюминесцентннх структурах. А при более низкой температуре в пленках не образуется центров & ионов с высокой излучательной способностью и кроме того для Ял ¿ене удается добиться ориентированного роста.

Данным способом выращивались пленки ИпБ :Тщ на подложках Во^. Ы» , •

Выбор оптимальных режимов проводился по исследованию распределения РЗЭ в пленках,которые проводились на рентгеновском микроанализаторе "СОМЕВАХ" при уровнях концентрации около I масс %.

Для пленок ЯпЗе': С^у и 2пБ : ~Гп\ оптимальные режимы выбирались но исследованию люминесценции при 300 К. Наиболее интенсивная люминесценция пленок ¿е: О у получена при скорости роста 0,5 мкм/час при интенсивности облучения источника О^&^составляла 10 Вт/см2. При этом режиме концентрация в пленке ¿ГпБ'е : составляла 0,3 масс %.

Наиболее интенсивная фотолшш!есценцияТгп^+ в пленках получена при концентрации Тгп равной 0,1 масс %, в том случае, когда Тщ вводился в шихту в виде соли "Ля (/V)3 в концентрации I масс %. Испарение велось при интенсивности облучения шихты рав-

о

ной 35 Вт/см", а скорость роста составляла 0,5 мкм/час.

П УТ

Люминесцентные свойства пленок А В , легированных РЗЭ под воздействием светового излучения

Спектры ФЛ снимались по методике, описанной во второй главе при возбуждении излучением с длиной волны 337 нм импульсами .длительностью 10 не и плотностью энергии 0,1 мкДх/мм2 частотой 76 Гц.

Полоса излучения ионов Оу в пленке с максимумом в о<3 л ас-

д ьс С 6

ти 755 нм соответствует переходам г Н.и - Н^. Люминесценция С1^ в пленках р,п наблюдается впервые. Излучение РЗ ионов в голубой части спектра возможно получать, используя в качестве матрицы соединение Zтl& , в основном на ионов ~Г/п ^ •

Пленки £п Б '• Тт были выращены под воздействием светового облучения и содержали Тщ в количестве 0,1 масс %. Полоса голубого излучения иона 7/Ь с максимумом около 478 нм соответствует пере-зоду Щ - % .

Определение оптимальной температуры выращивания пленок проводилось в интервале 200-700°С.'Выбор оптимальной температуры основывался на исследовании спектров фотолюминесценции, как более простого по сравнению с катодолюминесценцией. Следует отметить, что выборочные партии образцов показали одинаковую зависимость поведения фото- и катодолюминесценции. Наибольшей интенсивностью фотолюминесценции обладают пленки :Тт , выращенные при температурах, превышающие 400°С. При повышении температуры выращивания от 400°С до 700°С заметного увеличения интенсивности люминесценции не наблюдалось. Кривая насыщепия таете оставалась неизменной. При температуре выше 400°С возможно разрушение стеклянных подложек и прозрачных проводящих слоев, что делает затруднительным выращивание при более высоких температурах. В связи с приведенными данными был выбран оптимальный диапазон выращивания в районе 400-450°С.

Из экспериментов по катодолюминесценции при (7 =1 мкА/см2 17 =10 кВ определена яркость пленок :7Ъ равная 10 св/м2, что составляет 10$ от яркости порошка К - 71 А^. Плотность возбуждения при определении яркости соответствовала точке на линейном участке характеристики мощность-яркость и является стандартной испытательной плотностью возбуждения в промышленном испытании.

Таким образом, показано, что активация светом процессов испа-

- 18 -

рения соединений РЗЭ приводит к повышению парциального .давления РЗЭ в паровой фазе, а стимуляция процессов роста приводит к более совершенной структуре центров, содержащих РЗ ион и повышению интенсивности его излучения. Внутренняя эффективность катодолюминесцен-ции пленок Ил £>: Тт .составляет 605? от эффективности порошка

• если учитывать нотери на внутреннее отражение з пленке равными 89$.

Технологический метод получения пленок окси-сульфидов Р.З.Э.

Была разработана технология, базирующаяся на испарении порошков оксисульфидов РЗЭ при помощи светового излучения. Испарение порошков состава КЕяСЬЬ' позволило получать пленки с фазой £¡££.023 в области ее существования, что было устаноачено с помощью рентге-нофазового анализа, результаты которого бупут приведены ниже.

Пл енки $ Е-2 О2 В выращивались в аппарате, описанном в первой главе, при атмосферном давлении аргона, чтобы снизить степень разложения соединения. Температура подложек менялась в .диапазоне 400-600°С. Интенсивность облучения подложек составляла 0,2 Вт/с;л^, Была исследована зависимость скорости роста пленок ¿лг Оя 3 на <йЮ2 интенсивности облучения порошка Ьаг которая представлена в таблице 5.

Выбор режимов выращивания основывался на исследовании рентгенограмм пленок и морфологии их поверхности.

Прежде всего необходимо было определить режимы, при которых поверхность пленок становится зеркально-гладкой. Это является необходимым условием для получения качественных многослойных структур. Было залечено, что. пленки ¿<32 02 8 растут в виде сферолитов (снежинок), что приводит к сильно развитой поверхности. Пленки с зеркально-гладкой поверхностью и равномерные по толщине получаются

- 19 -

ТАБЛИЦА. 5.

Зависимость скорости роста пленки Oz ß на SiOjü от интенсивности облучения шихты Lüz 0% S

о

при интенсивности облучения подложки 0,2 Вт/см и .давлении аргона в реакторе 700 Topp

Интенсивность облучения.(Вт/смй) -10$

20 | 30 ; 40 ; j 60 ! | 80 j 100

Скорость роста (мкм/час) 0,5 0,3 1,7 2,5 3,5 5

при понижении скорости роста до значения 1,5 ыкм/час. Пленки обладающие наибольшей интенсивностью рефлексов в рентгенограммах получены при скорости 0,8 мкм/час.

•Для выяснения влияния температуры подложки на кристаллическую структуру пленок была исследована зависимость отношения интенсив-ностей рефлексов (002) на рентгенограммах пленок Lpzfô S и порошка Lan Ой В • Увеличение значения этого отношения говорит о возрастании степени ориентации оси "с" пленок в плоскости перпендикулярной плоскости поверхности подложки.

ТАБЛИЦА 6.

Зависимость отношения интенсивностей рефлексов (002) в рентгенограммах пленок на ¡5/¿¡г и

порошка bûJ Û2 от температуры подложки при скорости роста I ыкм/час и интенсивности облучения подложки 0,2 Вт/см2

Температура подложки без облучения °С

400- | 500 | 550 | 600 | 650

Отношение интенсивностей рефлексов I плен./I пор. 0,8 1,1 1,5 1,8 3

Повышение температуры до 650°С приводит я исчезновению на рентгенограммах рефлексов с индексами (104) л (102) (табл,6), а отношение I пленка/1 пор. становится больше трех* Наибольшей интенсивностью катодо-люминесценции обладают пленки выращенные в диапазоне температур 600-700°С. При более высокой температуре пленка, по-видимому, загрязняется материалом подложки. Исходя из проведенных исследований видно, что наиболее совершенная структура и интенсивная люминесценция пленок получается при скорости роста

0,8 мкм/час и температуре подложек около 650°С.

с Р 5" 9 г Для наиболее интенсивных переходов5^- , О, - г,,

- проведено исследование параметров затухания люминесценции в пленках и в пороше Чр. Оц^ ПРП К. Возбуждение осуществлялось импульсами .длительностью 10 не излучения с .длиной волны 337 ни. Результаты исследований приведены в таблице 7.

ТАБЛИЦА 7.

Параметры затухания люминесценции при 300 К трех наиболее интенсивных переходов пока Ец3+ в ЧеОг:Ей

Переход Линия (А) \ай2 | 4689 | 5400 \ 6171 | 6265

Параметр затухания (икс)

Порошок 24 76 410 420

Пленка 21 80 410 410

Видно, что параметры затухания в пленке н порошке практически не отличаются, это свидетельствует о том, что в процессе роста в пленке не образуется дополнительных каналов безизлучательной дезактивации возбужденных уровней.

Проведено сравнение эффективности катодолюминесценцки порошка Ог В : Си и пленок УгОг& Ей . С учетом потерь на внутренне отражение, которое составляет 85%, определена внутренняя

- 21 -

эффективность катоцолюминесценции пленок Уй02 $ :Еи в пределах 0,05-0,25 от эффективности катоцолюминесценции порошка.

Яркость пленок при Л = I мкА/см и Т/ои = 10 кВ составила 5 сВ/м2, что составляет 7% от яркости порошка К-78 Vг02&:Еи . Цветовые координаты пленки - х = 0,637; У = 0,350, а порошка к-78 - х = 0,636; у = 0,351. Видно, что цвет пленки сдвинут в красную область по сравнению с порошком К-78.

Одним из весьма важных в практическом применении параметров люминесцентных материалов, является кривая насыщения катодолюминесценции или кривая зависимости квантового выхода от плотности накачки.

Были проведены эксперименты по сравнению кривых насыщения для пленок выращенных фотостимулированной

эпитаксией и коммерческих фосфоров У2О2&: Ец Сл{ ,

2п$ : /Ц ,в сопоставлении со свойствами продуктов "ФИЛИПС".

Видно, что характер кривой .для пленки \г0г$ • Еи не отличается от характера кривой для порошка К-78. Для пленки £п 5 -.Тгиспад начинается несколько позже, чем для порошка , это можно

использовать в системах работающих при мощном возбуждении. Однако, качественные оценки квантового выхода показали, что для пленок он не превышает 1/5 от выхода из коммерческих фосфоров. Проблема повышения квантового выхода излучения в пленках является продолжением начатой в диссертации разработки фотостимулированной технологии получения люминесцентных пленочных структур.

■ ЗАКШ0ЧЕ11№

1. Испарение£*6гпри помощи светового излучения в диапазоне

длин волн 0,28-1,2 ики позволило получить пленки£п£>г на^аДд $>1 при температуре подлояки оксло 500°С, обладающие голубой краевой люминесценцией при 77 и

ТТ УТ

2. Разработан способ получения пленок А В , легированных РЗЗ, с использованием испарения светоЕыи язлучениеи соединений РЗГ:, защищенный авторским свидетельством.

3. Разработан способ пслоения пленск сксисульфидов редкоземельных элементов из парсвой (Тазы при помощи испарения светоркн излучением большой интенсивности. Способ защищен авторским свидетельстве». Пленки оксисульЯилов лантана и иттрия получены из паровой фазы ппер-вне.

ЛИТЕРАТУРА

I. Маясимовский С.Н., Сидоров П.П.- Использование 'ффекта фстсстя-ыулнрергннего испарения для Еыр.т'ивгнля пленок соединений 1П-У, 1Т-У1, 1У-У1.- е кн. "Рост кристаллов" . Москва, "Наука", 1Ч91, Т.ТЭ, с. 39-51.

Сидоров П.П., Александров О.В., Карпов И.В., и др.- Структура и люминесценция пленок 2п ($4, Л<}, Еыращенных фотостимулировспной эпитаксией.- Письма в КТФ, 1989, Т.15, И9, с. 34239.

3. Макашовский С.Н., Сидоров П.П., Шотов А.П. - Свойства напряженных слоев ¿5/7 «5V » выращенных на подложках из ¿>/ фо-тостимулированной эпитаксией. - Кр. сообщ. по физике ФИАН,

1989. » 3, С.38-40.

4. Максимовский С.Н., Сидоров П.П., Случ М.И. - Исследование лши-несдёнции и оптического поглощения тонких пленок Ил , выращенных на подложках из монокристаллического Zn Ö фотостимулиро ванной эпитаксией. - Изв. АН СССР, Неорганические материалы,

1990, Т.26, № 5, С.929-932.

5. Сидоров П.П., Шотов А.П., Максимовский С.Н. - Зависимость нзлу-чателышх свойств пленок £r> äs на 5>* от ориентации подложки. -Кр. сообщ. по физике ФИАН, 1989, Л 5, С.45-46.

6. Сидоров П.П., Максимовский С.Н., Октябрьский С.Р. и др. - Фото-стимулировшшая эпитаксия при пониженном .давлении из паровой фазы пленок Zn Sc-3на (100) Üc . - Письма в ЖТФ, 1990, Т.16,

й 14, С.74-78.

7. Свдоров П.П., Максимовский С.Н., Лойко H.H. - A.C. й 1464798 от 08.11.88г.

8. Максимовский С.Н., Сидороз П.П., Шотов А.П. - Люминесцентные плешей : и \ ~Tf)i , выращенные фотостимулированной эпитаксией. - Кр. сообщ. по физике ФИАН, 1988, » 8, С.45-46.

9. Сидоров П.П., Максимовский С.Н., Тимофеев Ю.П. - A.C. № 155467; от 01.12.1989г.

10.' Максимовский С.Н., Лойко H.H., Сидоров П.П. - Фотостимулирован-пая эпитаксия. - Тезисы УП Всесоюзной конференции по росту кристаллов, Москва, 1988, T.I, С.9-10.

11. Максимовский С.Н., Сидоров П.П. - Пленки оксисульфидов лантана и иттрия, выращенные из паровой фазы. - Кр. сообщ. по физике ФИАН, 1988, Je 9, С.32-33.

12. Сидоров П.П., Максимовский С.Н. - Пленка оксисульфидов Р.З.Э. на кремниевых подложках. - Тезисы I Всесоюзной конференции по физическим основам твердотельной электроники. - Ленинград, 1989, Т.В, С.231.

13. Максимовский С.Н., Сидоров П.П. - Люминесценция пленок окси-сульфида иттрия, активированного европием. - Кр. сообщ. по физике ФИАН, IS89, № 2, C.IO-II.

14. Максимовский С.Н., Сидоров II.П., Случ М.И. - Люминесценция пленок Y2O2 £>": и ¿/02 , выращенных фотостиму-лированной эпитаксией. - Изв. АН СССР, Неорганические материалы, 1990, Т.26, № 7, C.I488-I490.