Диплом Силениты Современная оптоэлектроника. Современная оптоэлектроника Оглавление
 Скачать 0.54 Mb.
|
|
Влияние легирования на свойства монокристаллов силленита. Оптические свойства. Перспективность материалов со структурой силленита в значительной степени объясняются электрооптическими свойствами этих кристаллов, то есть сравнительно малой величиной полуволнового напряжения, а также значительными продольными и поперечными электрооптическими эффектами. Известно, [53] что легирование Al, Ga, Sr значительно изменяет спектральную зависимость оптического поглощения и диэлектрические свойства монокристаллов. В работе Копылова с сотрудниками [54] исследовано влияние легирования монокристаллов Bi>12>SiO>20> элементами II и III групп на величину и спектральную зависимость U>  > .В пространственно-временных модуляторах света типа ПРОМ важно иметь не слишком тонкий слой материала, поскольку к нему прилагается сильное электрическое поле. Коэффициент поглощения определяет максимально допустимую рабочую длину устройства, использующего данный материал.[55] Снижение коэффициента поглощения в области 400-600 нм обеспечивается введением в B>12>GeO>20> 0,1 масс % Al>2>O>3> (рис. 1.6.1.) Рис.1.6.1. Зависимость полуволнового напряжения U> > от длины волны для легированного силликосилленита:Bi>12>SiO>20>; Bi>12>SiO>20> – Al; Bi>12>SiO>20> – Ga; Bi>12>SiO>20> – Ca; Bi>12>SiO>20> – Sr; Bi>12>GeO>20>. Такое легирование даёт возможность увеличения максимальной допустимой рабочей длины от 160 мкм для Bi>12>GeO>20> до 3,2 мм для Bi>12>GeO>20> –0,1 масс. % Al>2>O>3> (при работе на длине волны 420 нм), а при записи голограмм на l = 514,5 нм она составит уже 10 мм[55]. Фотопроводность определяет возможность использования силленитов в устройствах записи оптической информации – пространственно-временных модуляторах света (ПВМС). Увеличение фоточувствительности за счёт легирования кристалла позволяет увеличить чувствительность таких устройств, если оно не вызывает увеличения темновой проводимости, уменьшающей время хранения записанной информации. Однако, в электрооптических лампах, управляемых электронным лучом [56] благоприятным условием использования силленитов является подавление фотопроводимости. Рис.1.6.2. Спектр фоточувствительности кристаллов [57]. 1 – Bi>12>SiO>20> 2 - Bi>12>SiO>20> – Mn (0,15 масс. % в шихте) 3 - Bi>12>SiO>20> – Cr (0,10 масс. % в шихте) Значительное уменьшение фотопроводимости отмечено у Bi>12>SiO>20> при легировании Cr и Mn [57](рис. 1.6.2.), Al и Ga (до 0,5 вес. % в расплаве) [58]; у Bi>12>GeO>20> – при легированииCa и Ga [56]. Выводы из литературного обзора. Сложные кислородные соединения Bi силленитов типа (mBi>2>O>3>×nMe>x>O>y>) вызывают большой интерес, являясь пьезоэлектриками, обладают электрооптическими и магнитооптическими свойствами, что в сочетании с фотопроводимостью выдвигает их в число перспективных материалов для создания электро- и магнитооптических модуляторов лазерного излучения, запоминающих устройств типа ПРОМ и т.д. Замена р-элементов (Ge, [ ] ns2np2) в Bi>12>ЭO>20> ионами переходных металлов, имеющих неспаренные 3dn-электроны, позволяет получить новые свойства (изменения окраски, расширение области пропускания в длинноволновой части спектра). Чистота поверхности подложки является решающим фактором для выращивания и адгезии плёнок. Хорошо очищенная подложка является необходимым предварительным условием для получения плёнок с воспроизводимыми свойства. Будущие высокоёмкие системы оптической связи, как считают A.A. Ballman и P.K. Tien [44], будут состоять из различных пассивных и активных интегральных оптических устройств, функция которых – проводить и манипулировать световыми волнами, несущими информацию. Работа в этой области [44] выявила, что окончательный успех предлагаемых оптических систем, в основном, зависит от разработки тонкоплёночных материалов, имеющих приемлемые свойства для применения в системах оптической передачи информации. Светопроводящие устройство состоит из тонкой плёнки прозрачного силленитового материала на основе оксидов висмута, образованной на подложке так же прозрачного силленитового материала на основе оксидов висмута с более низким показателем преломления, чем у плёнки. Таким образом необходимо нахождения условий получения плёнок заданной толщины твёрдого раствора Bi>12>GeO>20> : 6 мольн. % Cr4+ со структурой силленита на германосилленитовой подложке методом жидкофазной эпитаксии. Экспериментальная часть. Цели и задачи работы. Целью данной дипломной работы являлось получение плёнок заданной толщины твёрдого раствора Bi>12>GeO>20> : 6 мольн. % Cr4+ со структурой силленита на германосилленитовой подложке методом жидкофазной эпитаксии. Для достижения данной цели необходимо выполнить следующие задачи: Подбор ориентации подложки, Выбор оптимальгой температуры эпитаксии, Определение зависимости толщины пленки от времени выдержки подложки в расплаве. Характеристики исходных веществ.
Выбор материала тигля. При выращивании монокристаллов силленитов в качестве материала тигля используется платина. Хотя температура плавления германосилленита 930 °С, применять керамические, кварцевые, а также тигли из неблагородных металлов нельзя из-за высокой химической активности расплава Bi>2>O>3>. Оборудование. В ходе работы использовалось следующее оборудование: Установка для роста кристаллов по Чохральскому. В качестве нагревательного элемента использовалась нихромовая спираль (R = 2,1 Ом). Максимальная мощность печи – 2,142 кВт. Максимальная температура – 1250 °С. Внутреннее устройство печи приведено на рис. 2.4.1. Электрическая часть установки питается от сети переменного тока (напряжение 220 В, 50 Гц). Управление и контроль производится с помощью системы высокоточного регулирования температуры ВРТ-2. Система построена по принципу обратной связи по температуре. Напряжение на нагреватель подаётся с блока тиристоров БТ. Сигнал с термопары, расположенной в непосредственной близости от нагревателя, поступает на задатчик И-102, где сравнивается с заданным набором температуры. Сигнал разбаланса, полученный в результате сравнения, поступает на регулятор Р-111, где формируется заданный закон регулирования(в данном случае ПИ-регулирование) печью сопротивления. Сигнал с регулятора (0 ¸ 5 mА) поступает на блок управления тиристоров БУТ, который регулирует выходной сигнал с блока тиристоров БТ, подавая на них изменяющееся по величине, запирающее напряжение. Вытягивающий механизм конструкции ИКАНа. Скорость вытягивания 3, 6, 12 мм/час. Скорость вращения штока 47 об/мин. Для синтеза шихты и отжига полученных кристаллов использовали муфельную печь ПМ-8. Технические данные печи:
 Изготовление подложек из монокристаллов Bi>12>GeO>20> и подготовка поверхности подложек к эпитаксии. Для изготовления подложек, монокристаллы германосилленита распиливали алмазным диском с наружной режущей кромкой перпендикулярно оси роста кристалла на пластины толщиной 1 ¸ 1,5 мм. Далее пластины наклеивали пиццеином на металлическую планшайбу и шлифовали с применением алмазной шлифовальной пасты “М”. После того как пластины были отшлифованы, планшайбу с наклеенными на неё подложками тщательно мыли для удаления с неё остатков шлифовальной пасты. Затем планшайбу помещали на полировочный круг и пластины полировались до зеркального блеска. Для полировки применялась полировальная паста “М”. После окончания механической полировки проводили химическую смесью глицерина и соляной кислоты в пропорции 10 : 1, соответственно. Химическую полировку проводили в несколько приемов по 10 с. с контролем качества поверхности на микроскопе МИИ-4. После шлифовки и полировки из пластин вырезались пластины размеров, которые прикреплялись к корундовому стержню тонкой платиновой проволокой. Для очистки от жировых загрязнений, подложки погружались в четырёххлористый углерод и кипятились в нём в течение 15 ¸ 20 минут. Приготовление шихты для жидкофазной эпитаксии. Для проведения экспериментов брали навески Bi>2>O>3>, GeO>2> и Cr>2>O>3> из расчёта получения смеси содержащей 3 масс. % Cr>2>O>3> и производили синтез шихты по уравнению реакции приведённому ниже: 6Bi>2>O>3> + 0,94GeO>2> + 0,03Cr>2>O>3> ® Ge>0,94>Cr>0,06>Bi>12>O>39,97>. Суммарный вес навески составлял 50 г, что определялось размерами тигля. Исходные компоненты отвешивали в рассчитанных соотношениях на аналитических весах АДВ – 200 с точностью до 0,0001 г. Затем проводили твёрдофазный синтез шихты при 820 °С в течении 30 часов. Для идентификации фаз применялся метод рентгенофазового анализа. Образцы анализировались на двукружном дифрактометре типа ДРОН - 2.0 (CuK α в интервале углов 2° < 2Q < 70°). Нанесения эпитаксиального слоя. Эпитаксиальные плёнки получали методом окунания монокристаллической германосилленитовой подложки в расплав. Платиновый тигель с шихтой помещали в кристаллизационную камеру. Для выравнивания радиального градиента над поверхностью расплава, тигель накрывали диафрагмой из термостойкой керамики. Затем опускали шток с прикреплённой к нему платиновой проволочкой подложкой. Для наращивания эпитаксиальных плёнок Ge>0,94>Cr>0,06>Bi>12>O>39,97> использовались подложки Bi>12>GeO>20> с ориентацией [111] и [100]. Шток с подложкой ориентировали таким образом, чтобы подложка находилась точно над центром тигля. Затем температуру с помощью ручного регулятора плавно поднимали до 899 °С за 40 – 50 минут. Это делалось для того, чтобы подложка и нагреватель не подвергались термоудару. После того как шихта расплавлялась, температуру выводили на заданное значение и выдерживали в течение 30 мин. для установления теплового режима. Подложку держали непосредственно над расплавом для прогрева. Далее подложку опускали в расплав при вращающемся штоке и выдерживали её там в течение 10 ¸ 30 мин. Затем включали подъём штока. После того как подложка с нанесённой на неё плёнкой вытягивается из расплава, её вручную поднимали на 2 ¸ 3 мм над расплавом и, выключив вращение и подъём штока, выдерживали в течении 1,5 часов. Затем плавно начинали снижать температуру в печи до комнатной. Затем подложку с нанесённой на неё плёнкой извлекали из печи. Процесс жидкофазной эпитаксии проводился при скоростях подъёма штока 12 мм/час и скорости вращения 47 Об/мин. После наращивания проводился отжиг эпитаксиальных плёнок в течение 5 – 6 часов при температуре 850 °С. Температура наращивания плёнок изменялась в пределах от 899 до 914 °С. Определение влияния температуры на толщину эпитаксиального слоя. Для приборов магнитооптики требуются плёнки толщиной не менее 20 мкм. На толщину получаемых эпитаксиальных плёнок основное влияние оказывают температура расплава, скорость подъёма штока и время эпитасиального наращивания плёнки. Для определения толщины эпитаксиального слоя, из пластин с нанесённой плёнкой изготовлялся срез вдоль оси роста. Измерение толщины производилось с использованием микроскопа МИН-8. Измерение под микроскопом производилось с помощью винтового окулярного микрометра. Он позволяет проводить замеры с большой точностью, нежели линейный. При 20Х объективе цена одного деления барабана составляет 0,375 мкм. Экспериментальные данные показали, что при скорости менее 12 мм/час происходит налипание расплава на подложку. При постоянных скорости вытягивания и времени наращивания плёнки, основное влияние на ее толщину оказывает температура. Влияние температуры на толщину плёнки представлено на рис. 2.8.1.  Рис. 2.8.1. Зависимость толщины эпитаксиальной плёнки от температуры при постоянной скорости вытягивания (12 мм/час. и 10- минутной выдержке подложки в расплаве).На основании эксперимента выбран оптимальный температурный режим выращивания плёнок при скорости вытягивания 12 мм/час. Важное влияние на толщину получаемых плёнок оказывает время эпитаксиального наращивания.(Рис. 2.8.2.) Рис. 2.8.2. Зависимость толщины плёнок от времени эпитаксии при разных температурах расплава: 914 °С. 907 °С. 900 °С. Плёнки оптимальной толщины получались в интервале от 855 до 873 °С и времени эпитаксии 10 мин. Выявление микроструктуры эпитаксиальных плёнок. Изучение микроструктуры полученных плёнок производили кристаллооптическим методом на микроскопе МИН – 8 с 160 кратным увеличением. Определяли положение монокристаллических блоков на поверхности подложки, их форму и размеры в зависимости от ориентации подложки. Определение размеров кристаллических блоков проводилось по методике, изложенной в главе 2.8. На каждом образце производилось 25 – 30 замеров. Результаты усреднялись. В зависимости от ориентации подложки и температуры расплава, получались монокристаллические блоки различной величины и формы. На подложках с ориентацией {100} получались кристаллические блоки вытянутые вдоль оси роста. При уменьшении температуры до 904 °С происходило увеличение размеров кристаллических блоков, а при достижении области температур ниже 904 °С происходило их нарастание друг на друга (рис. 2.9.1.). На подложке с ориентацией {111} при прочих равных условиях, кристаллические блоки имели меньшие размеры и не столь явно выраженную направленность.(рис. 2.9.2.) На рис. 2.9.3 представлен график зависимости средних размеров кристаллических блоков от температуры наращивания.  Рис. 2.9.1 Кристаллические блоки на подложке с ориентацией {100}. Рис. 2.9.2. Мелкие кристаллические блоки на подложке с ориентацией {111}.  Рис. 2.9.3 Зависимость средних размеров монокристаллических зёрен от температуры расплава. |