CC BY
79
Физика и технология тонких пленок Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2010, № 5 (2), с. 279-282
УДК 535.371
ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ В ТОНКИХ ПЛЁНКАХ АМОРФНОГО ДИОКСИДА германия, ЛЕГИРОВАННЫХ ИОНАМИ Ег3+ и уь3+
© 2010 г. О.Н. Горшков, И.Н. Антонов, А.П. Касаткин, А.Н. Шушунов
Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского
Поступила в редакцию 21.05.2010
Исследованы спектры и кривые распада фотолюминесценции (ФЛ) легированных ионами Ег3+ и УЪ3+ пленок аморфного диоксида германия, сформированных методом ВЧ магнетронного распыления. Максимум интенсивности ФЛ достигается при температуре отжига 500оС а времени жизни ФЛ (6.7 мс) - при температуре 600оС. Ширина полосы ФЛ в случае отжига при температуре 500оС составляет 45 нм. При высокотемпературных (>700°С) обработках люминесцентные свойства пленок ухудшаются, что обусловлено формированием гексагональной модификации ве02.
Ключевые слова: диоксид германия, тонкие плёнки, метод ВЧ магнетронного распыления, ионы Ег3+ и УЪ3+, термический отжиг, спектры фотолюминесценции, время жизни фотолюминесценции.
Введение
В последнее время активно обсуждается проблема создания многофункциональных оптических материалов. В этих материалах одновременно предполагаются низкие оптические потери в широкой области спектра, заданные значения показателя преломления, высокое значение интенсивности фотолюминесценции ионов редкоземельных элементов в матрице, оптическая нелинейность, фоточувствительность, высокое сечение комбинационного рассеяния и др. Совокупность таких свойств особенно важна для изготовления компактных планарных оптических элементов - волноводов, разветвителей, оптических усилителей, лазеров, высокоэффективных преобразователей частоты и элек-трооптических модуляторов.
Диоксид германия исследовался ранее как один из материалов волоконной оптики [1]. Так, например, в работе [2] сообщается о создании волоконных световодов с сердцевиной из стекла на основе диоксида германия, что позволило существенно расширить область генерации волоконных рамановских (ВКР) лазеров в ИК-области. В меньшей степени этот материал изучался с целью применения его при изготовлении планарных волноводных структур [3]. Вместе с тем, обладая высокой фоточувствительностью [4], большим сечением комбинационного рассеяния [2] и возможностью формирования в нем нанокристаллов кремния [5], ве02 является перспективным многофункциональным мате-
риалом для использования его в интегральной оптике при создании пассивных и активных планарных устройств. Ранее авторами настоящей работы были исследованы свойства дефектов, возникающих в пленках ве02 в процессе их создания, а также при облучении ускоренными ионами и термических отжигах [5-8]. Были установлены режимы формирования нанокристаллов кремния в пленках ве02 методом ионной имплантации [5]. В настоящей работе изучена фотолюминесценция ионов эрбия в тонких аморфных пленках диоксида германия, полученных методом магнетронного ВЧ распыления.
Методы исследования
Для напыления тонких пленок на основе ди-
и? 3+
оксида германия, легированных ионами Ъг и УЬ3+, из порошков оксидов была сформирована мишень состава: ве02 - 99.1 моль%, УЬ203 -
0.72 моль%, Ъг203 - 0.18 моль%. Такой состав соответствует концентрации ионов эрбия ~11022 см-3 и ионов иттербия ~41022 см-3. Осаждение пленок ве02 осуществлялось на подложки из плавленого кварца, монокристаллического кремния с ориентацией поверхности (100) и окисленного монокристаллического кремния с толщиной окисла около 1.5 мкм. Были выбраны такие режимы осаждения, при которых показатель преломления составлял величину ~ 1.6, что близко к показателю преломления объемного ве02. Образцы на подложках из плавленого кварца представляли собой прозрачные и бес-
Рис. 1. Спектры ФЛ ионов Ъг3+ в пленках ве02, сформированных на различных подложках: 1 - окисленный кремний, 2 - плавленый кварц, 3 - кремний. Температура подложки в процессе осаждения Г=550°С
Рис. 2. Спектры ФЛ ионов Ъг + в пленках ве02 на подложках из окисленного кремния при различных температурах подложки: 1 - 5500С, 2 - 5000С
1 г. 1 ■ п Глі Г.- і .4 1 1 т т ~~ 1 -■
/"I-|И1 1П ги>п .I гдкм
Рис. 3. Спектры ФЛ ионов Ъг3+ в пленках ве02, осажденных на подложки из окисленного кремния при температуре 4000С (1) и прошедших термический отжиг в атмосфере кислорода при температуре 4000С (2), 4500С (3), 5000С (4), 5500С (5), 6000С (6), 6500С (7) и 7000С (8)
Время, МКС
Рис. 4. Кривые распада ФЛ ионов Ъг3+ в пленках ве02, осажденных на подложки из окисленного кремния при температуре подложки 4000С (1) и прошедших термический отжиг в атмосфере кислорода при температуре 4500С (2), 5000С (3), 6000С (4). На вставке - график зависимости времени жизни от температуры отжига
цветные пленки. Структурные исследования пленок методом рентгеновской дифракции на установке ДРОН-УМ-1 показали, что пленки как на плавленом кварце и на окисленном кремнии, так и на монокристаллическом кремнии были аморфными.
Для измерения спектров и времени жизни ФЛ была использована установка на базе монохроматора МДР-23 фирмы «Ломо». Монохроматор, на входной щели которого размещался кремниевый фильтр, был оснащен плоской дифракционной решеткой 600 шт/мм. На выходной щели монохроматора устанавливался фотоприемник марки «БІЬАБ Со.» БРБ2000 Р/В, соединенный с синхронным детектором и обеспечивающий измерения спектров в ближней ИК области от 1.4 мкм до 1.6 мкм. Возбуждение ФЛ проводилось с помощью полупроводникового
лазера на длине волны 0.98 мкм (накачка ионов Ъг через ионы УЬ). Спектры ФЛ измерялись при комнатной температуре. Время жизни определялось по спаду интенсивности ФЛ по окончании импульса накачки. Толщина и показатель преломления пленок измерялись на спектроскопическом эллипсометре РИЪ - 102.
Результаты и обсуждение
Фотолюминесценция ионов Ъг3+ в пленках была изучена в зависимости от изменения условий получения пленок и условий их термической обработки. Чтобы изучить влияние условий получения пленок, измерялись спектры и времена жизни ФЛ в пленках при осаждении их на различные подложки (рис. 1) и при изменении температуры подложек в процессе осаждения (рис. 2).
Рис. 5. Нормированные спектры ФЛ ионов Бг + в Рис. 6. Дифрактограмма, полученная для пленки
пленках ве02, осажденных на подложки из окислен- ве02, прошедшей отжиг при температуре 7000С
ного кремния при температуре 4000С (1) и прошедших термический отжиг в атмосфере кислорода при температуре 6500С (2), 7000С (3)
Рис. 1 свидетельствует о более эффективном формировании оптически активных центров в матрице ве02 на подложках из БЮ2 по сравнению с подложками из Б1. Слабая фотолюминесценция пленок ве02, выращенных на монокри-сталлическом кремнии, свидетельствует о взаимодействии осаждаемой пленки с подложкой и, в частности, может быть связана с обеднением растущей плёнки ве02 кислородом за счет окисления кремниевой подложки. На это указывает и тот факт, что интенсивность ФЛ пленок, выращенных на термически окисленном кремнии (толщина окисла ~ 1.5 мкм), практически совпадает с ФЛ в плёнках, выращенных на плавленом кварце. Исследования показали, что температура подложки в процессе роста пленок оказывает существенное влияние на интенсивность ФЛ. Как видно из рис. 2, формирование оптически активных центров происходит при температурах подложки выше 5000С. Это подтверждают и результаты экспериментов по активации фотолюминесцентных свойств плёнок (осажденных при температуре подложки 400°С) отжигами при различных температурах в течение одного часа (рис. 3, 4).
Максимум интенсивности ФЛ достигается при температуре отжига 500°С, а времени жизни ФЛ (6.7 мс) - при температуре 600°С. Следует отметить, что ширина полосы ФЛ, например, в случае отжига при температуре 500°С, составляет 45 нм, что существенно выше ширины по-
3+
лосы ФЛ ионов Бг3+ в волокнах на основе силикатного стекла, используемых в волоконнооптических линиях связи (35 нм [9]). Как следует из приведенных данных, при высокотемпературных обработках люминесцентные свойства пленок ухудшались. Кроме того, было обнару-
жено, что при температуре отжига 700°С существенно изменяется форма спектра ФЛ (рис. 5).
Немонотонные зависимости интенсивности люминесценции и времени жизни от температуры отжига и изменение формы спектра люминесценции могут свидетельствовать об изменении фазового состава пленок в этой температурной области. Факт кристаллизации пленок подтверждается данными рентгеновской дифракции с использованием геометрии скользящего пучка на установке ДРОН-УМ-1 (см. рис. 6). Положение дифракционных пиков свидетельствует о формировании гексагональной модификации ве02.
Кристаллизация приводит к формированию однотипных (с точки зрения кристаллического поля) оптических центров и, как следствие, к сужению спектральной линии ФЛ. Одновременно этот процесс может увеличить расстояние между ионами иттербия и эрбия, что в свою очередь приведет к уменьшению вероятности передачи возбуждения от ионов УЬ к ионам Бг и, как следствие, к уменьшению наблюдаемой ФЛ.
Заключение
Исследованы фотолюминесцентные свойства пленок диоксида германия, легированных ионами эрбия и иттербия при возбуждении излучением с длиной волны 0.98 мкм. Показано, что как температура подложки при осаждении пленок, так и последующий термический отжиг оказывают существенное влияние на параметры ФЛ. Максимум интенсивности ФЛ достигается при температуре отжига 500°С, а времени жизни ФЛ (6.7 мс) - при температуре 600°С. Ширина полосы ФЛ в случае отжига при темпера-
туре 500°С составляет ~45 нм. При высокотемпературных обработках (~700°С) люминесцентные свойства пленок ухудшаются, что обусловлено формированием в них гексагональной модификации ве02 в этой температурной области.
Работа выполнена в рамках АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».
Список литературы
1. Девятых Г.Г., Дианов Е.М., Карпычев Н.С. и др. // Квантовая электроника. 1980. Т. 7. № 7. С. 1563-1566.
2. Дианов Е.М., Буфетов И.А. // Lightwave. Russian edition. 2004. № 4. С. 44-49.
3. Yin Z., Garside B.K. // Appl. Optics. 1982. V. 21. N 23. P. 4324-4328.
4. Nishii J., Yamanaka H., Hosono H. et al. // Appl. Phys. Lett. 1994. V. 64. № 3. P. 282-284.
5. Горшков О.Н., Дудин Ю.А., Камин В.А. и др. // Письма в ЖТФ. 2005. Т. 31. №. 12. С. 39-47.
6. Антонов И.Н., Горшков О.Н., Дианов Е.М. и др. // Вестник ННГУ. Сер. ФТТ. 2006. Вып. 1(9). С. 247.
7. Горшков О.Н., Тетельбаум Д.И., Антонов И.Н. и др. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2007. № 3. С. 1-3.
8. Горшков О.Н., Антонов И.Н., Михайлов А.Н. и др. // Вестник ННГУ. Сер. ФТТ. 2008. № 1. С. 30-34.
9. Фриман Р. Волоконно-оптические системы связию. М.: Техносфера, 2003. 440 с.
photoluminescence in thin amorphous Ge02 films doped with Er3+ and Yb3+ ions
O.N. Gorshkov, I.N. Antonov, A.P. Kasatkin, A.N. Shushunov
The photoluminescence (PL) spectra and decay curves are studied of amorphous GeO2 films doped with the Er3+ and Yb3+ ions and formed by RF magnetron sputtering method. The PL intensity maximum is achieved at an annealing temperature of 5000C and the lifetime maximum (6.7 ms) is at a temperature of 6000C. Full width of the PL band is about 45 nm at an annealing temperature of 5000C. PL properties deteriorate at higher annealing temperatures (>700°C) due to the GeO2 hexagonal phase formation.
Keywords: germanium dioxide, thin films, RF magnetron sputtering method, Er3+ and Yb3+ ions, thermal annealing, photoluminescence spectra, photoluminescence lifetime.
