108890 (Современная оптоэлектроника), страница 4

Авторами работы 52 было обнаружено, что монокристаллические тонкоплёночные материалы подходят для интегральных оптических устройств, так как они имеют малые потери для проводящих волн, относительно просты и недороги в изготовлении.

Авторы 44 обнаружили новый обещающий класс монокристаллических материалов, идеально подходящий для использования как в пассивных, так и в активных тонкоплёночных светопроводящих оптических устройствах.

Светопроводящие устройство 44 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.

Как было показано ранее (глава 1.2.) семейство силленитов включает множество соединений Bi₂O₃ с оксидами GeO₂, SiO₂, TiO₂, ZnO, Ca₂O₃, Al₂O₃, Fe₂O₃, B₂O₃, P₂0₅ и т.д.… Частичная или полная замена различных ионов силленитов позволяет изменять показатель преломления как плёнки, так и подложки в относительно широком диапазоне. Монокристаллические силленитовые плёнки совершенно прозрачны в видимом и ИК – спектре, обладают низкими потерями на рассеивание и поглощение световых волн.

Кроме того, было обнаружено 44, что силлениты обладают эффектом Фарадея, являются пьезоэлектриками, оптически активными, оптически нелинейными и фотопроводящими материалами.

Использование Bi₁₂GeO₂₀ в качестве подложки в процессе гетероэпитаксиального получения плёнок силленитов очевидно в связи с тем, что германосилленит имеет наивысшую точку плавления из всех соединений силленитов, приведённых в таблице 1.5.1. Подложка, таким образом может быть погружена во все соединения, чьи температуры плавления ниже. Близкое согласование параметров решётки и коэффициента теплового расширения так же дают возможность получить высококачественные эпитаксиальные слои. Соединения приведённые в таблице 1.5.1. удовлетворяют этим требованиям в вариантах, где в качестве подложки использовался германосилленит.

Таблица 1.5.1. 44
Состав	Соотношение	Параметр решётки, Å	Температура плавления, С
Bi2O3 – Bi2O3	12:1	10,12	700
Bi2O3 – SiO2	6:1	10,10	900
Bi2O3 – GeO2	6:1	10,14	935
Bi2O3 – TiO2	6:1	10,17	930
Bi2O3 – Ga2O3	12:1	10,17	825
Bi2O3 – Al2O3	12:1	10,16	930
Bi2O3 – Fe2O3	19:1	10,18	825
Bi2O3 – ZnO	6:1	10,20	800
Bi2O3 – P2O5	12:1	10,16	900

1. Влияние легирования на свойства монокристаллов силленита.

1. 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 Bi₁₂SiO₂₀ 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 B₁₂GeO₂₀ 0,1 масс % Al₂O₃ (рис. 1.6.1.)

Рис.1.6.1. Зависимость полуволнового напряжения U от длины волны для легированного силликосилленита:

1. Bi₁₂SiO₂₀;

2. Bi₁₂SiO₂₀ – Al;

3. Bi₁₂SiO₂₀ – Ga;

4. Bi₁₂SiO₂₀ – Ca;

5. Bi₁₂SiO₂₀ – Sr;

6. Bi₁₂GeO₂₀.

Такое легирование даёт возможность увеличения максимальной допустимой рабочей длины от 160 мкм для Bi₁₂GeO₂₀ до 3,2 мм для Bi₁₂GeO₂₀ –0,1 масс. % Al₂O₃ (при работе на длине волны 420 нм), а при записи голограмм на = 514,5 нм она составит уже 10 мм55.

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 – Bi₁₂SiO₂₀

• 2 - Bi₁₂SiO₂₀ – Mn (0,15 масс. % в шихте)

• 3 - Bi₁₂SiO₂₀ – Cr (0,10 масс. % в шихте)

Значительное уменьшение фотопроводимости отмечено у Bi₁₂SiO₂₀ при легировании Cr и Mn [57](рис. 1.6.2.), Al и Ga (до 0,5 вес. % в расплаве) [58]; у Bi₁₂GeO₂₀ – при легированииCa и Ga [56].

2. Выводы из литературного обзора.

Сложные кислородные соединения Bi силленитов типа (mBi₂O₃nMe_xO_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 Bi₁₂ЭO₂₀ 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 Bi₁₂GeO₂₀ : 6 мольн. % Cr⁴⁺ со структурой силленита на германосилленитовой подложке методом жидкофазной эпитаксии.

1. Экспериментальная часть.

1. Цели и задачи работы.

Целью данной дипломной работы являлось получение плёнок заданной толщины твёрдого раствора Bi₁₂GeO₂₀ : 6 мольн. % Cr⁴⁺ со структурой силленита на германосилленитовой подложке методом жидкофазной эпитаксии.

Для достижения данной цели необходимо выполнить следующие задачи:

1. Подбор ориентации подложки,

2. Выбор оптимальгой температуры эпитаксии,

3. Определение зависимости толщины пленки от времени выдержки подложки в расплаве.

1. Характеристики исходных веществ.

Вещества	Категории	Технические условия	Содержание основного вещества, %
Bi2O3	ОСЧ 13-3	ТУ6-09-1853-72	99,99
GeO2	ОСЧ 2-14	ТУ6-09-1418-76	99,99
Cr2O3	“ХЧ”
HCl	“ХЧ”	ГОСТ 3118-67	35,0 – 38,0
CCl4	“ОСЧ”	ГОСТ 20288-77
Ацетон	“Ч”	ТУ 9-271-68
Глицерин	“ХЧ”	ТУ 9-271-68

1. 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 Bi₂O₃.

1. Оборудование.

В ходе работы использовалось следующее оборудование:

1. 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 А) 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.

1. Для синтеза шихты и отжига полученных кристаллов использовали муфельную печь ПМ-8.

Технические данные печи:

Мощность нагревателя	—	2,4	кВт
Напряжение сети	—	220	В
Максимальная рабочая температура	—	1100	С

Рис.2.4.1. Электронная блок схема установки:

Р-111	—	регулятор
И-102	—	задатчик
БУТ	—	блок управления тиристорами
БТ	—	блок тиристоров
Rн	—	Нагреватель
ТП	—	термопара

1. Изготовление подложек из монокристаллов Bi₁₂GeO₂₀ 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”.