CC BY
43
ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА
УДК 535.343.2
НАВЕДЕННЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ В ПЛЕНКАХ ДИОКСИДА ГЕРМАНИЯ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ИОНАМИ ГЕЛИЯ
© 2009 г. И.Н. Антонов, О.Н. Горшков, Ю.А. Дудин, М.Е. Шенина,
А.П. Касаткин, В.А. Камин
Нижегородский научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского
Поступила в редакцию 12.05.2009
Исследовано формирование наведенного показателя преломления (НПП) в тонких пленках диоксида германия, полученных методом ВЧ магнетронного распыления, при облучении ионами гелия с энергиями 5-40 кэВ и дозами от 1014 до 5-1016 см-2. В указанном диапазоне доз облучения величина НПП изменялась от 0.001 до 0.139, что является достаточным для создания планарных тонкопленочных волноводов. Возникающий при облучении НПП лишь частично может быть объяснен образованием в процессе облучения дефектов ^еЕ -центров, германиевых электронных центров, нейтральных кислородных вакансий Ge2+-центров и дырочных поляронов), полосы поглощения которых наблюдаются в спектрах пропускания. Обсуждается дополнительный механизм появления НПП, связанный с радиационным уплотнением материала.
Ключевые слова: диоксид германия, ионное облучение, показатель преломления, дефекты.
Введение
Диоксид германия исследовался ранее как один из основных 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-диапазоне. Вместе с тем, обладая высокой фоточувствительностью [3], большим сечением комбинационного рассеяния [2] и возможностью формирования в нем нанокристаллов кремния [4], GeO2 является многофункциональным материалом, перспективным для использования его в интегральной оптике при создании пассивных и активных устройств. В связи с этим представляет интерес формирование пленочного диоксида германия и модификация его свойств. Ранее в работах [4-7] нами исследованы свойства дефектов, возникающих в пленках GeO2 в процессе их формирования, а также при облучении ускоренными ионами и отжигах. В частности, были установлены режимы формирования методом ионной имплантации нанокристаллов кремния в пленках GeO2 [4]. Это создает предпосылки для создания из-
лучательных центров в такой матрице, а также исследования возможности сенсибилизации этими нанокристаллами оптически активных ионов в пленках диоксида германия, например ионов Ег3+, подобно тому, как это было изучено для силикатных матриц [8, 9]. Ионное облучение является одним из эффективных методов формирования планарных волноводов [10]. Достоинство метода состоит в возможности простого контроля наведенного показателя преломления (НПП), профиля НПП по глубине и толщины волноводного слоя. Это особенно важно при изготовлении, например, таких элементов интегральной оптики, какими являются двухканальные направленные ответвители [11], при формировании которых требуется создание достаточно малых значений НПП. Закономерности формирования НПП при облучении исследовались прежде всего для кварцевого стекла [10, 11]. При этом рассматривались механизмы возникновения НПП, обусловленные как замещением имплантированными ионами некоторых атомов в матрице исходного материала, так и нарушениями в этой матрице, вызываемыми ускоренными ионами. В работе [12] получены решеточные элементы оптической связи на коммерческом волокне с сердцевиной соста-
ва Si0.97Ge0.03O2 в процессе облучения ионами гелия.
В настоящей работе изучена возможность создания наведенного показателя преломления в пленках диоксида германия при облучении их ионами гелия.
Методы исследования
Аморфные пленки 0е02 были сформированы методом магнетронного реактивного ВЧ-распы-ления (13.6 МГц) порошковых мишеней диоксида германия. Осаждение осуществлялось на подложки из плавленого кварца и монокристал-лического кремния. Ранее в работе [5] нами было показано, что содержание дефектов в получаемых пленках можно контролировать, выбирая определенные режимы осаждения. В настоящей работе образцы 0е02 представляли собой прозрачные и бесцветные пленки с резким краем оптического поглощения, значение ширины эффективной запрещенной зоны которых Eg было близким к соответствующему значению для объемных стекол Е^ = 5.6 эВ [14], что свидетельствовало о низком уровне исходных дефектов в пленках. Для этого распыление проводилось в атмосфере газовой смеси аргон -кислород (с содержанием кислорода 50%) при давлении 1.5 Па, температуре подложки Т = = 500 °С, напряжении автосмещения на мишени ил = 250 В. Скорость осаждения при данных технологических параметрах составляла 0.4 мкм/ч. Полученные образцы были использованы для создания НПП при облучении ионами гелия. Для формирования однородного профиля вводимых дефектов в облученном слое, как и в работах [15, 16], были использованы ионы с несколькими энергиями: 5, 10, 20 и 40 кэВ. Отно-
0.00Е+000 1.00Е+016 2.00Е+016 3.00Е+016 4.00Е+016 5.0Е+016 Доза, см-2
шение доз ионов, имплантированных с различными энергиями, определялось с помощью расчетов по программе TRIM-91 и равнялось Ф(5 кэВ): Ф(10 кэВ): Ф(20 кэВ): Ф(40 кэВ) = = 15:25:30:100. Доза при максимальной энергии изменялась от 1014 до 5* 1016 см-2. В данных экспериментах толщины пленок соответствовали пробегу ионов с максимальной энергией.
Возникновение в облучаемых пленках дефектов определенного типа характеризовалось полосами поглощения в облученных образцах. Показатель преломления и толщина пленок измерялись с помощью эллипсометра ЛЭФ-3М-1 (рабочая длина волны равна 632.8 нм) и спектроскопического эллипсометра PhE-102 фирмы Micro Photonics Inc. (ошибка измерения 0.003), спектры пропускания измерялись на спектрофотометре Cary 6000i фирмы Varian.
Результаты и обсуждение
На рис. 1а представлена дозовая зависимость НПП пленок GeO2 на подложках из кремния. Видно, что НПП меняется с дозой в широких пределах и достигает значения 0.139 при дозе 5-1016 см-2. (Указанные здесь и ниже значения доз приведены для максимальной энергии ионов). На рис. 1б приведены дисперсионные зависимости показателей преломления исходной и
15 2
облученной ионами с дозой 5-10 см пленок, а также НПП после облучения ионами с указанной дозой. Следует отметить, что такие значения наведенного показателя преломления обеспечивают возможность создания планарных волноводов как с низким, так и с высоким ограничением волноводных мод.
Чтобы выяснить вклад радиационных дефектов в увеличение показателя преломления, были
X, нм
Рис. 1. Зависимость НПП пленок Се02 на подложках из кремния от дозы ионов гелия на длине волны 633 нм (а). Зависимость НПП и показателя преломления до (нижняя кривая) и после облучения ионами гелия с дозой 1015 см'2 (б)
100
§80 и
сЗ
М
О & 60
40
Л*"
■- Г О ■
'—■--------1—'—■—■—I-----1—■------1—I-------■—I
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Длина волны, нм
я
сЗ
М
О
Е? 60
и 40 К
а
к
20
л
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Длина волны, нм
5 80
60
<в 40 К
а к
20
і ■
0 200 400 600
■ 1 1 1 Рис. 2. Спектры пропускания пленок до и после облучения
800 1000 1200 1400 1600 1800 ионами кремния с дозами 5'1015 см-2 (а), 1016 см-2 (б), 5-1016
Длина волны, нм
см-2 (в) (— до облучения,
после облучения). На спек-
трах видны интерференционные полосы
1ПХГ
1ВВСС
ихл
ійіх;
т о 1ПХГ
в" < ехс
оосс
¿КС
2 ЭХ
С
3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0
Е, эВ
Рис. 3. Полосы поглощения дефектов в пленках 0е02, обусловленные облучением ионами гелия с дозой 1015 см-2
измерены и проанализированы спектры пропускания пленок на подложках из плавленого кварца. На рис. 2 приведены спектры пропускания для исходной пленки и облученной ионами с разными дозами. Из этих данных следует, что с ростом дозы облучения возрастает интенсив-
ность полос поглощения вблизи коротковолнового края пропускания. Кроме того, возникает смещение положения интерференционных пиков в сторону больших длин волн, что соответствует росту оптической толщины пленок. Из измеренных спектров пропускания были рас-
б
а
0
0
0
в
0
И
0.10 -
0.08
0.06 -
0.04 _
0.02
0.00
------1------1------------1------1-----1------1------------1------1-----1------1
0.00Е+000 1.00Е+016 2.00Е+016 3.00Е+016 4.00Е+016 5.0Е+016
Доза, см
Рис. 4. Дозовая зависимость изменения ширины эффективной запрещенной зоны пленок Ge02 на подложках из плавленого кварца при облучении ионами Не
2
считаны спектры поглощения и полосы поглощения радиационных дефектов. При этом из спектров поглощения облученных пленок вычитали спектры пленок до облучения. Аппроксимация этой полосы поглощения проводилась пятью кривыми Гаусса. Как положение пиков, так и их ширина на половине высоты указывают на принадлежность этих полос ОеЕ -центрам, ГЭЦ-2, НКВ и Ое2-центрам, ГЭЦ-1 [17], а также дырочным поляронам [7, 18].
В качестве примера на рис. 3 представлены полученные таким образом полосы поглощения
щ15 -2
для дозы ионов гелия 10 см .
На основании полученных данных, исходя из соотношений Крамерса - Кронига [13], нами был выполнен расчет величины НПП, который обусловлен возникновением приведенных полос дефектов. Для длины волны 633 нм расчеты дали следующие значения: Ди = 0.0012, 0.0016,
0.0056 для доз 5-1015, 1016, 5-1016 см-2 соответственно. Экспериментальные данные для этих же доз облучения оказались существенно выше и составили 0.008, 0.012, 0.026. Это указывает на то, что возникающий при облучении НПП лишь частично может быть объяснен возникновением названных дефектов и имеется дополнительный механизм НПП, который при рассматриваемых дозах является доминирующим. Как известно [13], таким механизмом является в случае силикатных стекол увеличение плотности материала в процессе ионного облучения. Величина НПП, возникающего в результате проявления этого механизма, пропорциональна относительному изменению объема под действием ионного об-
лучения, что показано авторами указанной работы измерением перепада высот на границе облученной и исходной областей. Полученные нами результаты показывают, что этот механизм может проявлять себя и в случае аморфных пленок диоксида германия.
Представляет интерес отметить, что дозовая зависимость изменения ширины эффективной запрещенной зоны (рис. 4) отличается от соответствующей зависимости НПП.
В случае зависимости Ди от дозы облучения насыщение начинает проявляться при больших дозах (-5-1016 см-2) по сравнению со случаем дозо-вой зависимости ДEg (доза насыщения ~1016 см-2), что также указывает на наличие дополнительных механизмов в формировании НПП.
Выводы
Показано, что при облучении ионами гелия тонких пленок 0е02, полученных методом ВЧ магнетронного распыления, в них возникает наведенный показатель преломления (НПП). Величина НПП является достаточной (>0.01) для создания полосковых тонкопленочных волноводов при дозах облучения > 1015см-2. Возникающий при облучении НПП лишь частично может быть объяснен появлением в процессе облучения полос поглощения дефектов (ОеЕ -центры, ГЭЦ-2, НКВ и Ое2-центры, ГЭЦ-1, дырочные поляроны). Имеется дополнительный механизм появления НПП. Таким механизмом может служить увеличение плотности материала в процессе ионного облучения.
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. Nishii J., Yamanaka H., Hosono H., Lawazoe H. // Appl. Phys. Lett. 1994. V. 64. № 3. P. 282.
4. Горшков О.Н., Дудин Ю.А., Камин В.А. и др. // Письма в ЖТФ. 2005. Т. 31. В. 12. С. 39-47.
5. Антонов И.Н., Горшков О.Н., Дианов Е.М. и др. // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Серия Физика твердого тела. Н. Новгород, 2006. Вып. 1(9). С. 247.
6. Горшков О.Н., Тетельбаум Д.И., Антонов И.Н. и др. // Поверхность. Рентгеновские, син-хротронные и нейтронные исследования. 2007. № 3. С. 1-3.
7. Горшков О.Н., Антонов И.Н., Михайлов А.Н.
и др. // Вестник Нижегородского университета им.
Н.И. Лобачевского. Н. Новгород, 2008. № 1.
С. 30-34.
8. Kik P.G., Polman A. // J. Appl. Phys. 2002. V. 91. № 1. P. 534-536.
9. Shin J.H., Seo S.Y., Park N., Lee H. // OFC/NFOEC (March 6-11, 2005), Anaheim, California, OWF1.
10. Цернике Ф. Изготовление пассивных элементов и измерение их параметров. В: Интегральная оптика / Под ред. Т. Тамира. Пер. с англ. М.: Мир, 1978. С. 222.
11. Хансперджер Р. Интегральная оптика: Теория и технология: Пер. с англ. М.: Мир, 1985. 384 с.
12. Fujimaki M., Ohki Y., Brener J.L., Roorda S. // Opt. Lett. 2000. V. 25. N 2. P.88.
13. Albert J., Malo B., Hill K.O. et al. //Opt. Lett. 1992. V. 17. N 17. P. 1652
14. Nishii J., Fukumi K., Yamanaka H. et al. //Phys. Rev. B. 1995. V. 52. № 3. P. 1661.
15. Standley R.D., Gibson W.M., Rodgers J.W. // Appl. Opt. 1972. V. 11, No. 6. P. 1313-1316.
16. Горшков О.Н., Дианов Е.М., Чурбанов М.Ф. и др. // Вестник ННГУ 2007. № 2. С. 69-72.
17. Essid M., Brebner J.L., Albert J., Awasu K. // Nuclear Instrum. and Meth. Phys. Res. B. 998. V. 141. P. 616.
18. Pacchioni G., Basile A.// Phys. Rev. B. 1999. V. 60. N 14. P. 9990.
19. Неуструев В.Б. //Волоконно-оптические технологии, материалы и устройства. 2000. № 3. С. 12.
INDUCED REFRACTIVE INDEX IN GERMANIUM DIOXIDE FILMS AT HELIUM ION IRRADIATION
I.N. Antonov, O.N. Gorshkov, Yu. A. Dudin, M.E. Shenina,
A. P. Kasatkin, V.A. Kamin
The induced refractive index (IRI) formation has been studied in thin germanium dioxide films deposited by RF magnetron sputtering at helium ion irradiation with energies 5-40 keV and dozes 1014-51016 cm-2. The IRI values varied from 0.001 up to 0.139 in the indicated range of dozes that is sufficient to create planar thin-film waveguides. This IRI can only partly be explained by the defect formation during the irradiation (GeE' centers, germanium electron centers, neutral oxygen vacancies, Ge2+-centers and self-trapped hole polarons) whose absorption bands are observed in the transmission spectra. The additional mechanism of the IRI occurrence is discussed which is related to the material compaction caused by radiation.
Keywords: germanium dioxide, ion irradiation, induced refractive index, defects.
