Спосіб покращення пропускання іч-світла та деградаційної стійкості оптичного елемента на основі gaas

Реферат: Спосіб покращення пропускання ІЧ-світла оптичним елементом на основі GaAs та покращення його деградаційної стійкості включає різання високоомного кристала напівізолюючого GaAs на + пластини, шліфовку, поліровку пластин, попередню обробку в плазмі Ar та осадження на їх поверхню просвітлюючої алмазоподібної вуглецевої плівки в плазмі СНЦ. Причому попередню плазмову обробку пластини напівізолюючого GaAs перед осадженням плівки здійснюють в + + плазмі Ar або Н протягом 15-60 хвилин, а просвітлюючу плівку осаджують в середовищі, яке додатково містить гази: N2, H2, Ar при наступному співвідношенні компонентів, в об'ємних %: N2 35-53 Н2 29-12 СН4 29 Ar решта, протягом 40-60 хвилин при потужності ВЧ-розряду 150-250 Вт. UA 97876 U (12) UA 97876 U UA 97876 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до технології виготовлення оптичних елементів на основі GaAs для інфрачервоної (ІЧ) оптики. Розвиток сучасної електронної техніки, мікро- та наноелектроніки, сонячної енергетики і ІЧоптики неможливий без використання напівпровідникових кристалів з покращеними експлуатаційними характеристиками та деградаційною стійкістю. Саме тому розробка методів, спрямованих на покращення експлуатаційних властивостей та деградаційної стійкості є одним з найважливіших пріоритетів сучасної науки і техніки. Арсенід галію широко використовується для виготовлення оптичних елементів ІЧ-оптики. Завдання просвітлення оптичних елементів на основі GaAs для ІЧ області спектру є важливим тому, що GaAs - це матеріал з високим показником заломлення і, отже, високими втратами на відбивання світла. Крім того, GaAs є матеріалом, дуже чутливим до зовнішніх впливів. Зокрема, це особливо стосується впливу проникаючої радіації, захисту від якої, особливо для оптичних елементів, практично не існує. В той же час, прилади на основі GaAs в ряді випадків можуть працювати в екстремальних умовах, включаючи дію високоенергетичних частинок або проникаючої радіації. В зв'язку з цим, пошук шляхів покращення не тільки пропускання ІЧ-світла, але і деградаційної стійкості приладів на основі GaAs є дуже актуальним. Існує цілий ряд оптичних матеріалів, які в тій чи іншій мірі задовольняють умовам просвітлення від УФ до ІЧ області спектра [1]. До них можна додати також плівки Т 2О5, ІТО, ZnO, BN, які, зокрема, використовуються для просвітлення сонячних елементів на основі GaAs [2]. Важливе місце серед просвітлюючих плівок для приладів різного типу займають вуглецеві плівки [3-11]. Часто з метою просвітлення застосовуються багатошарові структури [6-10], або, навіть, наноструктуровані шари у вигляді наноколон, наноголок, мікростержнів та металевих (Au) наночастинок. Вуглецеві плівки, отримані різними методами, можуть використовуватись для просвітлення найпоширеніших матеріалів ІЧ-оптики таких як, наприклад германій і кремній [3, 4, 9], або матеріалів на основі цинку [4, 10]. При цьому, для просвітлення таких матеріалів вуглецеві плівки можуть використовуватись в якості одношарових покриттів, або у складі багатошарових покриттів [9, 10]. В роботах по застосуванню алмазоподібних вуглецевих плівок (АВП) для просвітлення кристалів GaAs показана їх перспективність і ефективність для збільшення пропускання в 14 області спектра [5-8, 12]. Можливість застосування АВП для просвітлення арсеніду галію багатошаровими покриттями показана в патенті [8] (аналог), де поряд з АВП в чотиришаровій структурі застосовуються буферні шари кремнію. Недолік цього методу очевидний - це складність і вартість методу, обумовлена застосуванням великої кількості шарів. Авторам [5] (прототип) вдалося найефективніше покращити пропускання GaAs в спектральному діапазоні ~4-7 мкм з застосуванням одношарового покриття на основі АВП. Такий діапазон просвітлення обумовлений оптичними властивостями і товщиною використаної АВП. При цьому, авторам [5] вдалося покращити інтегральне пропускання в спектральній області 3-10 мкм в 1,065 разу (таблиця 1). В роботі [5] для покращення адгезії автори + використовували очистку підкладинки GaAs в плазмі Аr протягом 5 хвилин, потужність ВЧ розряду 500 Вт. Осадження просвітлюючої плівки на GaAs проводилося в плазмі СН 4 при потужності ВЧ розряду 200 Вт. Задачею корисної моделі є збільшення інтегрального пропускання ІЧ світла оптичним елементом на основі GaAs та покращення його деградаційної стійкості. Поставлена задача вирішується тим, що включає різання високоомного кристала напівізолюючого GaAs на пластини, шліфовку, поліровку пластин, попередню обробку в плазмі + Аr та осадження на їх поверхню просвітлюючої алмазоподібної вуглецевої плівки в плазмі СН 4, відрізняється тим, що попередню плазмову обробку пластини напівізолюючого GaAs перед + + осадженням плівки здійснюють в плазмі Аr або Н протягом 15-60 хвилин, а просвітлюючу плівку осаджують в середовищі, яке додатково містить гази: N 2, Н2, Аr при наступному співвідношенні компонентів. в об'ємних %: N2 35-53 Н2 29-12 СН4 29 Аr решта, протягом 40-60 хвилин при потужності ВЧ-розряду 150-250 Вт. Після осадження АВП на GaAs запропонованим способом збільшується пропускання практично у всьому дослідженому ІЧ-спектральному діапазоні. Це обумовлено зменшенням відбивання світла від зразка за рахунок ефекту просвітлення алмазоподібною плівкою. Незважаючи на зменшення пропускання після плазмових обробок, після осадження АВП на 1 UA 97876 U 5 10 15 20 25 30 оброблену поверхню пропускання в усьому дослідженому спектральному діапазоні істотно перевищує пропускання структур АВП-GaAs без плазмової обробки. Це зумовлено, формуванням складної оптичної системи після плазмової обробки, а з іншого боку, на властивості кристалів напівізолюючого GaAs впливають процеси генерації та релаксації механічних напружень, які відбуваються під час плазмових обробок та під дією ВЧелектромагнітного поля. Приклад Для досліджень використовувались кристали напівізолюючого GaAs з орієнтацією (100), 7 леговані Сr (=1·10 ·см), які були вирощені методом Чохральського з рідинною герметизацією. Обробка в плазмі водню або аргону і осадження АВП проводились в установці плазмохімічного осадження (PE-CVD - плазмово-хімічного осадження з парової фази). Плазмові + + обробки проводилися в плазмі Н (зразки 1в - 4в) або Аr (1а - 4а) протягом 15 хвилин при потужності ВЧ розряду 175 Вт на частоті 13,56 МГц. Осадження алмазоподібної вуглецевої плівки на GaAs проводилося з газової суміші: N2 - 53 %, H2 - 12 %, CH4 - 29 %, Аr - 6 %, протягом 47 хвилин при потужності ВЧ розряду 200 Вт. Для досліджень впливу опромінення на властивості вихідного кристалу GaAs та структур АВП - GaAs 60 6 використовувалось джерело Со . Набір дози проводився поетапно в інтервалі доз 1×10 7 1,4×10 рад на одній серії зразків. Після кожного етапу виконувалось вимірювання спектрів ІЧпропускання оброблених зразків. Після осадження АВП на вихідний зразок GaAs спостерігалось значне збільшення пропускання практично у всьому дослідженому спектральному діапазоні 3-10 мкм (криві 2 на Фіг. 1, 2) по відношенню до спектрів вихідного кристала напівізолюючого GaAs (криві 1 на Фіг. 1, 2). Це обумовлено зменшенням відбивання світла від зразка за рахунок ефекту просвітлення алмазоподібною плівкою. Інтегральне пропускання в області 3-10 мкм після плазмової обробки і осадження АВП зросло в 1,091 разу, для зразка, обробленого в плазмі водню і в 1,085 разу для зразка, обробленого в плазмі аргону (таблиця 1). В таблиці 1 наведені дані збільшення інтегрального пропускання в тому ж спектральному діапазоні, отримані в прототипі [5]. З таблиці видно, що запропонований метод просвітлення елементів ІЧ оптики на основі GaAs одношаровими АВП дозволяє досягти кращих результатів, порівняно з прототипом. Слід відзначити, що запропоноване нами збільшення часу плазмової обробки дозволило досягти покращення пропускання як при застосуванні обробки в плазмі аргону, так і обробки в плазмі водню. Таблиця 1 Значення відносного інтегрального пропускання (Т/То) кристалів GaAs в спектральному інтервалі 3-10 мкм. № 1 2 3 Зразок + GaAs + Аr + АВП [5] (прототип) + GaAs + Аr + АВП + GaAs + H + АВП Т/Т0 1.065 1.085 1.091 35 40 Розглянемо результати досліджень впливу -опромінення на деградаційні властивості вихідного кристалу GaAs та структур АВП-GaAs. Для зручності аналізу нами було визначено відносне інтегральне пропускання -опромінених структур АВП-GaAs, одержаних запропонованим способом та -опроміненого вихідного зразка, нормованих на відповідне значення неопромінених зразків. Отримані результати наведені в таблиці 2. Зазначимо, що інтегрування проводилось в інтервалі 4-6 мкм, тобто в області максимального пропускання структури АВП-GaAs. 2 UA 97876 U Таблиця 2 Відносне інтегрального пропускання досліджених зразків № 1 2 3 4 GaAs +  10 6 GaAs +  5×10 6 GaAs +  9,1×10 7 GaAs +  1,41×10 Зразок Т/Т0 1,031 0,970 0,987 0,742 1в 2в 3в 4в GaAs + Н + АВП +  10 + 6 GaAs + H + ABП +  5×10 + 6 GaAs + Н + АВП +  9,1×10 + 7 GaAs + Н + АВП +  1,41×10 1,012 0,983 1,018 0,908 1а 2а 3а 4а GaAs + Аr + АВП +  10 + 6 GaAs + Аr + АВП +  5×10 + 6 GaAs + Аr + АВП +  9,1×10 + 7 GaAs + Аr + АВП +  1,41×10 1,019 1,007 1,05 0,944 6 + + 6 6 З таблиці 2 видно, що після першого етапу -опромінення з дозою 1×10 рад пропускання вихідного зразка зростало у всьому досліджуваному спектральному діапазоні (таблиця 1, зразок 1), що на нашу думку, обумовлено так званим "ефектом малих доз" [13]. При цьому, відбувається анігіляція дефектів, які генеруються -квантами з дефектами наявними у вихідному кристалі GaAs. Даний ефект обумовлює і збільшення пропускання структур АВП-GaAs, порівняно з вихідною, неопроміненою структурою АВП-GaAs - (таблиця 2, зразки 1в та 1а), незалежно від того, в плазмі якого газу оброблявся вихідний кристал GaAs. Подальші зміни інтегрального пропускання вихідного зразка GaAs і структур АВП-GaAs при 6 6 збільшення дози -опромінення до 5×10 рад і 9×10 рад носять немонотонний характер (таблиця 2, зразки 2в, 3в, 2а, 3а). Слід зазначити, що інтегральне пропускання вихідного зразка після другого етапу 6 6 опромінення (D=5×10 рад) починає зменшуватись, після третього (D=9,1×10 рад) - дещо 7 зростає, а після опромінення з дозою 1,41×10 рад (крива 2 Фіг. 3) катастрофічно падає по відношенню до спектру вихідного кристала напівізолюючого GaAs (крива 1 Фіг. 3). В той же час, пропускання структур АВП-GaAs, на основі кристалів GaAs, попередньо оброблених в плазмі водню (таблиця 2, зразок 2в) і особливо аргону (таблиця 2, зразок 2а) падає суттєво менше після другого етапу обробки. Більше того, пропускання структур АВПGaAs після першого і третього етапів -опромінення продовжує перевищувати пропускання вихідної структури (таблиця 2, зразки 1а, 3а, 1 в, 3в). І тільки при збільшенні дози -опромінення до 1,41×10 рад інтегральне пропускання стає меншим, ніж для вихідної, неопроміненої структури (таблиця 2, зразки 4в, 4а). Проте, якщо пропускання вихідного зразка катастрофічно падає (крива 2 Фіг. 3) то пропускання зразків з АВП (оброблених як в плазмі водню, так і в плазмі аргону) зменшується набагато менше (криві 3 на Фіг. 1, 2). Таким чином, з отриманих результатів можна зробити наступні висновки: 1. Завдяки запропонованому збільшенню часу плазмової обробки перед осадженням АВП, пропускання структури АВП-GaAs суттєво покращилось, порівняно з результатами, отриманими в прототипі. 2. Попередні плазмові обробки і осадження АВП покращують стійкість кристалів GaAs до дії 7 -опромінення. При цьому інтегральне пропускання після -опромінення з дозою 1,41×10 рад для зразка без АВП падає в 1,35 разу, тоді як для зразків з АВП тільки в 1,06 (обробка в плазмі + + Аr ) і в 1,1 разу (обробка в плазмі Н ), відповідно. Це свідчить про значно вищу радіаційну стійкість структур з АВП, порівняно з незахищеним кристалом напівізолюючого GaAs. 3. Пропускання структури АВП-GaAs після дії -опромінення може навіть перевищувати пропускання вихідної (неопроміненої) структури. Даний ефект обумовлений як зміною властивостей кристалу GaAs, так і структурною модифікацією АВП під дією -квантів. Отже, спосіб, що заявляється, дозволяє суттєво покращити пропускання ІЧ-світла та підвищити деградаційну стійкість оптичних елементів на основі GaAs. 6 5 10 15 20 25 30 35 3 UA 97876 U Джерела інформації: 1. Macleod Н.А. Thin-film Optical Filters /Н.А. Macleod // NewYork: McGraw - № 11, 1989. - 521 с. 5 10 15 20 25 30 2. Оганесян А.С. Однослойные антиотражающие покрытия для солнечных элементов на основе GaAs /А.С. Оганесян // Известия НАН Армении, Физика. - 2008. - Т. 43, № 3. - С. 211-215. 3. Enke K. Hard carbon layers for wear protection and antireflection purposes of infrared devices /Knut Enke //Applied Optics. - 1985. - V. 24, Issue 4. - P. 508-512. 4. Zhang G.F. Studies on diamondlike carbon films for antireflection coatings of infrared optical materials /G.F. Zhang, L.J. Guo, Z.T. Liu [et al.] //J. Appl. Phys. - 1994. - V.76. - C. 705-709. 5. Klibanov L. Diamond-like carbon thin films as antireflective and protective coatings of GaAs elements and devices. //L. Klibanov, N. Croitoru, A. Seidman [et al.] //Opt. Eng. 2000. - V.39. - P. 989992. 6. Hideo W. Anti-Reflection and Diamond-Like-Carbon Coating on Polycrystal Gallium Arsenide /Wada Hideo, Nagashima Mitsuhiro, Nakayama Shigeru [et al.] // Journal of the Japan Society of Infrared Science and Technology. - 2003. - V.12, N2. - P. 60-68. 7. Mitsuhiro N. Multilayer Infrared Anti-Reflection and Hard Coating on Polycrystal Gallium Arsenide /Nagashima Mitsuhiro, Wada Hideo // IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials. V. 127, Issue 7. - P. 375-381. 8. Sulzbach F.C. Durable wideband anti-reflection coating for infrared windows /Frank С. Sulzbach // United States Patent No 5510186, 23 April 1996. 9. Geoffrey W. Green, Alan H. Lettington. Coating infra red transparent semiconductor material // United States Patent No 4412903, 01.11.1983. 10. Stephen H. Propst, Cathy M. Peterson. Infrared window protected by multilayer antireflective coating // United States Patent No 5425983, 20.06.1995. 11. Глебов В.Н. Просветляющее покрытие /В.Н. Глебов, A.M. Малютин // Патент на изобретение № 2097801, Опубликован 27 ноября 1997 г. 12. Hrdina Jiri Antireflection coating on GaAs for the range 8-12 mcm /Jiri Hrdina, Lubomir Jastrabik, Jiri Potmesil [et al.] // Proc. SPIE. - 1993. - V. 1782. - P. 291-302. 13. Мамонтов А.П. Эффект малых доз ионизирующего излучения /Ф.П. Мамонтов, И.П. Чернов. - М.: Энергоатомиздат, 2001. - 286 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 Спосіб покращення пропускання ІЧ-світла оптичним елементом на основі GaAs та покращення його деградаційної стійкості, який включає різання високоомного кристала напівізолюючого + GaAs на пластини, шліфовку, поліровку пластин, попередню обробку в плазмі Ar та осадження на їх поверхню просвітлюючої алмазоподібної вуглецевої плівки в плазмі СНЦ, який відрізняється тим, що попередню плазмову обробку пластини напівізолюючого GaAs перед + + осадженням плівки здійснюють в плазмі Ar або Н протягом 15-60 хвилин, а просвітлюючу плівку осаджують в середовищі, яке додатково містить гази: N2, H2, Ar при наступному співвідношенні компонентів, в об'ємних %: N2 35-53 Н2 29-12 СН4 29 Ar решта, протягом 40-60 хвилин при потужності ВЧ-розряду 150-250 Вт. 4 UA 97876 U 5 UA 97876 U 6 UA 97876 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7