Воздействие ультрафиолетового излучения на оптические свойства диэлектриков на основе кремния

  • Ирина Николаевна Пархоменко Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Людмила Александровна Власукова Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Александр Степанович Камышан Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь
  • Наталья Станиславовна Ковальчук «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121а, 220108, г. Минск, Беларусь
  • Сергей Александрович Демидович «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121а, 220108, г. Минск, Беларусь

Аннотация

Для оценки воздействия ультрафиолетовой части солнечного спектра в диапазоне длин волн 185– 400 нм на оптические параметры диэлектрических слоев проанализировано изменение спектров отражения тонких (11–25 нм) нестехиометрических пленок нитрида (SiNx), оксида (SiOx) и оксинитрида (SiOxNy) кремния. Пленки наносились на кремниевые подложки методом химического осаждения из газовой фазы при активации индуктивно связанной плазмой. Установлено, что воздействие ультрафиолетового излучения с плотностью потока энергии, в 20 раз превышающей соответствующий параметр естественного солнечного излучения, в течение 6 ч приводит к увеличению показателя преломления пленок SiNх и SiOx, характеризующихся избыточным содержанием кремния, в среднем на Δn = 0,03–0,09, тогда как изменения показателя преломления пленки SiOxNy после ультрафиолетового облучения несущественны (Δn < 0,01). Как показал анализ инфракрасных спектров, химический состав пленок после ультрафиолетового воздействия не изменялся. Обсуждена природа влияния ультрафиолетового облучения на оптические свойства диэлектрических пленок на основе кремния различного элементного и структурного состава. Полученные результаты могут быть использованы при выборе диэлектриков для приборов, работающих в условиях открытого космоса на низких околоземных орбитах.

Биографии авторов

Ирина Николаевна Пархоменко, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории материалов и приборных структур микро- и наноэлектроники факультета радиофизики и компьютерных технологий

Людмила Александровна Власукова, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; заведующий научно-исследовательской лабораторией материалов и приборных структур микро- и наноэлектроники факультета радиофизики и компьютерных технологий

Александр Степанович Камышан, Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; ведущий научный сотрудник лаборатории элионики

Наталья Станиславовна Ковальчук, «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121а, 220108, г. Минск, Беларусь

кандидат технических наук, доцент; заместитель генерального директора, главный инженер

Сергей Александрович Демидович, «Интеграл» – управляющая компания холдинга «Интеграл», ул. Казинца, 121а, 220108, г. Минск, Беларусь

ведущий инженер отраслевой лаборатории новых технологий и материалов

Литература

  1. Novikov LS. Space material science in the present and in future. Vestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 3, Fizika. Astronomiya. 2010;4:25–32. Russian.
  2. Didyk PI, Zhukov AA. [Radiation resistance of microelectronic devices under combined effect of destabilising factors of outer space at the design stage]. Kosmicheskie issledovaniya. 2023;61(3):242–247. Russian. DOI: 10.31857/S0023420622600209.
  3. Xu Xu, He Wenyan, Wang Changjun, Wei Ming, Li Bincheng. SiNx thickness dependence of spectral properties and durability of protected-silver mirrors. Surface and Coatings Technology. 2017;324:175–181. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2017.05.078.
  4. de O. C. Cintra MP, Santos AL, Silva P, Ueda M, Janke A, Jehnichen D, et al. Characterization of SixOy Nz coating on CF/PPS composites for space applications. Surface and Coatings Technology. 2018;335:159–165. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2017.12.036.
  5. de Rooij A. Corrosion in space. In: Blockley R, Shyy W, editors. Encyclopedia of aerospace engineering. Volume 4, Materials technology [Internet]. Chichester: John Wiley & Sons; 2010 [cited 2022 March 21]. p. 1–10. Available from: https://sci-hub.se/10.1002/9780470686652.eae242. DOI: 10.1002/9780470686652.eae242.
  6. Garoli D, Rodriguez De Marcos LV, Larruquert JI, Corso AJ, Proietti Zaccaria R, Pelizzo MG. Mirrors for space telescopes: degradation issues. Applied Sciences. 2020;10(21):7538. DOI: 10.3390/app10217538.
  7. Karanth SP, Sumesh MA, Shobha V, Sirisha J, Yadav DM, Vijay SB, et al. Electro-optical performance study of 4H-SiC/Pd Schottky UV photodetector array for space applications. IEEE Transactions on Electron Devices. 2020;67(8):3242–3249. DOI: 10.1109/TED.2020.3004306.
  8. Sinha A, Qian J, Moffitt SL, Hurst K, Terwilliger K, Miller DC, et al. UV‐induced degradation of high‐efficiency silicon PV modules with different cell architectures. Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 2023;31(1):36–51. DOI: 10.1002/pip.3606.
  9. Novikov LS. Kosmicheskoe materialovedenie [Space material science]. Moscow: Maks-press; 2014. 448 p. Russian.
  10. Kuzmenko AB. Kramers – Kronig constrained variational analysis of optical spectra. Review of Scientific Instruments. 2005;76(8):083108. DOI: 10.1063/1.1979470.
  11. Parkhomenko I, Vlasukova L, Komarov F, Kovalchuk N, Demidovich S, Zhussupbekova A, et al. Effect of rapid thermal annealing on Si-based dielectric films grown by ICP-CVD. ACS Omega. 2023;8(33):30768–30775. DOI: 10.1021/acsomega.3c04997.
  12. Chen Kunji, Lin Zewen, Zhang Pengzhan, Huang Rui, Dong Hengping, Huang Xinfan. Luminescence mechanism in amorphous silicon oxynitride films: band tail model or N — Si — O bond defects model. Frontiers in Physics. 2019;7:144. DOI: 10.3389/fphy.2019.00144.
  13. Rudakov G, Reshetnikov I. IR spectra of ICPCVD SiNx thin films for MEMS structures. Journal of Physics: Conference Series. 2015;643:012063. DOI: 10.1088/1742-6596/643/1/012063.
  14. Liu F, Ward S, Gedvilas L, Keyes B, To B, Wang Q, et al. Amorphous silicon nitride deposited by hot-wire chemical vapor deposition. Journal of Applied Physics. 2004;96(5):2973–2979. DOI: 10.1063/1.1775046.
  15. Zhou H, Elgaid K, Wilkinson C, Thayne I. Low-hydrogen-content silicon nitride deposited at room temperature by inductively coupled plasma deposition. Japanese Journal of Applied Physics. 2006;45(10S):8388. DOI: 10.1143/JJAP.45.8388.
  16. Huang XD, Gan XF, Zhang F, Huang QA, Yang JZ. Improved electrochemical performance of silicon nitride film by hydrogen incorporation for lithium-ion battery anode. Electrochimica Acta. 2018;268:241–247. DOI: 10.1016/j.electacta.2018.02.117.
  17. Han Sang-Soo, Jun Byung-Hyuk, No Kwangsoo, Bae Byeong-Soo. Preparation of a‐SiNx thin film with low hydrogen content by inductively coupled plasma enhanced chemical vapor deposition. Journal of The Electrochemical Society. 1998;145(2):652–658. DOI: 10.1149/1.1838318.
  18. Levitskii VS, Lenshin AS, Seredin PV, Terukov EI. Investigation of degradation of the optical properties of meso- and macroporous silicon exposed to solar radiation simulator. Fizika i tekhnika poluprovodnikov [Internet]. 2015 [cited 2022 June 7];49(11):1540–1545. Available from: http://journals.ioffe.ru/articles/42457. Russian.
  19. Aouida S, Saadoun M, Boujmil MF, Ben Rabha M, Bessaı̈s B. Effect of UV irradiations on the structural and optical features of porous silicon: application in silicon solar cells. Applied Surface Science. 2004;238(1–4):193–198. DOI: 10.1016/j.apsusc.2004.05.209.
  20. Guiheneuf V, Delaleux F, Pouliquen S, Riou O, Logerais P-O, Durastanti J-F. Effects of the irradiance intensity during UV accelerated aging test on unencapsulated silicon solar cells. Solar Energy. 2017;157:477–485. DOI: 10.1016/j.solener.2017.08.044.
  21. Cai L, Rohatgi A, Yang D, El-Sayed MA. Effects of rapid thermal anneal on refractive index and hydrogen content of plasma-enhanced chemical vapor deposited silicon nitride films. Journal of Applied Physics. 1996;80(9):5384–5388. DOI: 10.1063/1.363480.
  22. Perez AM, Santiago C, Renero-Carrillo F, Zuniga C. Optical properties of amorphous hydrogenated silicon nitride thin films. Optical Engineering. 2006;45(12):123802. DOI: 10.1117/1.2402493.
  23. Putkonen M, Bosund M, Ylivaara OME, Puurunen RL, Kilpi L, Ronkainen H, et al. Thermal and plasma enhanced atomic layer deposition of SiO2 using commercial silicon precursors. Thin Solid Films. 2014;558:93–98. DOI: 10.1016/j.tsf.2014.02.087.
  24. Baek S, Iftiquar SM, Jang J, Lee S, Kim M, Jung J, et al. Effect of ultraviolet light exposure to boron doped hydrogenated amorphous silicon oxide thin film. Applied Surface Science. 2012;260:17–22. DOI: 10.1016/j.apsusc.2011.12.086.
  25. Lambertz A, Grundler T, Finger F. Hydrogenated amorphous silicon oxide containing a microcrystalline silicon phase and usage as an intermediate reflector in thin-film silicon solar cells. Journal of Applied Physics. 2011;109(11):113109. DOI: 10.1063/1.3592208.
  26. Nejadriahi H, Friedman A, Sharma R, Pappert S, Fainman Y, Yu P. Thermo-optic properties of silicon-rich silicon nitride for on-chip applications. Optics Express. 2020;28(17):24951–24960. DOI: 10.1364/OE.396969.
  27. Bucio TD, Lacava C, Clementi M, Faneca J, Skandalos I, Baldycheva A, et al. Silicon nitride photonics for the near-infrared. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2020;26(2):8200613. DOI: 10.1109/JSTQE.2019.2934127.
Опубликован
2024-01-23
Ключевые слова: нитрид кремния, оксид кремния, оксинитрид кремния, ультрафиолетовое облучение, отражение
Поддерживающие организации Работа выполнена при финансовой поддержке государственной программы научных исследований «Конвергенция-2025» (задание 3.07.1.2, № гос. регистрации 20211910).
Как цитировать
Пархоменко, И. Н., Власукова, Л. А., Камышан, А. С., Ковальчук, Н. С., & Демидович, С. А. (2024). Воздействие ультрафиолетового излучения на оптические свойства диэлектриков на основе кремния. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 1, 57-64. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/physics/article/view/5808
Выпуск
№ 1 (2024): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Физика конденсированного состояния

Copyright (c) 2024 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).