Optical characterization and thermal activation of Tb doped amorphous SiC, AlN and SiN thin films

Abstract

En la presente tesis se evalúan las propiedades ópticas y las características de emisión de luz de películas delgadas amorfas de AlN, SiN y SiC:H dopadas con Tb. La caracterización óptica se centra en la determinación del ancho de banda, la energía de Urbach y el foco de Urbach a partir de mediciones ópticas. Se desarrolla un modelo, basado en fluctuaciones térmicas de la banda, para describir la absorción fundamental sobrepuesta con las colas de Urbach. Luego, se realiza un análisis de la existencia y significado del foco de Urbach y se contrasta con modelo anterior. Uno de los principales resultados en esta parte es la capacidad del modelo antes mencionado para distinguir las regiones de Urbach y Tauc del coeficiente de absorción. En este caso, películas delgadas de a-SiC:H depositadas en distintas condiciones de dilución de hidrógeno exhibieron un ancho de banda no correlacionado con la energía de Urbach al usar este modelo, en contraste a lo que se observa típicamente después de utilizar el modelo de Tauc. El análisis de características de emisión de luz se centra al proceso de activación térmica que sufren los iones de tierras raras cuando se calientan las muestras. El efecto de la temperatura de recocido, temperatura de la muestra y concentración de tierras raras en la intensidad de la emisión de luz se evalúa bajo fuentes de excitación de fotones y electrones. Se utiliza un modelo de tasa de transiciones para ajustar la intensidad de luz global asociada al Tb en películas delgadas de a-SiC:H:Tb3+ frente a la concentración de Tb después de diferentes temperaturas de recocido. Se recupera una energía de activación asociada a la activación térmica. Finalmente, en el caso de a-SiC: H: Tb3+, se observa una disminución del efecto de enfriamiento de la concentración, lo que sugiere un mecanismo adicional para aumentar la intensidad de emisión de luz relacionada con Tb.

In the present thesis the optical properties and light emission features of Tb-doped amorphous AlN, SiN and SiC:H thin films are assessed. The optical characterization is focused in the determination of the bandgap, Urbach energy and Urbach focus from optical measurements. A model, based on thermal band-fluctuations, to describe the fundamental absorption overlapped with Urbach tails is developed. Thenceforth, an analysis of the existence and meaning of the Urbach focus is performed and contrasted with the latter model. One of the main results in this part is the capability of aforementioned model to distinguish the Urbach and Tauc regions of the absorption coefficient. In this matter, a-SiC:H thin films grown with distinct hydrogen dilution conditions exhibited an uncorrelated bandgap with the Urbach energy when using this model, contrary to what is typically observed after applying the Tauc model. The light emission features analysis is concerned with the thermal activation process that rare earth ions suffer when annealing the samples. The effect of the annealing temperature, sample temperature and rare earth concentration on the light emission intensity is assessed under photon and electron excitation sources. A rate equation model is used to fit the overall Tb-related intensity of a-SiC:H:Tb3+ versus the Tb concentration after different annealing temperatures. An activation energy associated to the thermal activation is recovered. Finally, in the case of a-SiC:H:Tb3+ a diminution of the concentration quenching effect is observed suggesting an additional mechanism to enhance the Tb-related light emission intensity.

In dieser Arbeit werden die optischen Eigenschaften und die Lichtemission der dünnen amorphen Schichten AlN, SiN und SiC:H dotiert mit Tb untersucht. Die optische Charakterisierung beschränkt sich auf die Bestimmung der Bandlücke, der Urbachenergie und den Urbachfokus. Basierend auf thermischen Fluktuationen der Bandlücke wird ein Modell entwickelt, welches die fundamentale Absorption in Überlapp mit den Urbachausläufern beschreibt. Es wird die Existenz und die Bedeutung des Urbachfokus analysiert und mit dem vorher entwickelten Modell verglichen. Eine der wichtigsten Ergebnisse dieser Untersuchungen ist die Fähigkeit dieses Modells, den Urbach-Bereich von dem Tauc-Bereich des Abrorptionskoeffizienten zu trennen. Zum Beispiel zeigen dünne Filme aus SiC:H abgeschieden mit unterschiedlichen Wasserstoffflüssen unter Verwendung dieses Modells eine Bandlücke, die nicht mit der Urbach-Energie korreliert ist. Dies unterscheidet sich typischerweise von der Beobachtung der Bandlückenvariation unter Verwendung des Tauc-Modells. Die Untersuchung der Lichtemission konzentriert sich auf den Prozess der thermischen Aktivierung, welchen die Seltenerdionen bei Ausheilung der Proben erleiden. Der Effekt der Ausheiltemperatur, der Probentemperatur und der Konzentration der Seltenen Erden auf die Intensität der Lichtemission wird mit Anregung von Photonen und Elektronen untersucht. Es wird ein Änderungsratenmodell der Übergänge verwendet, um die globale mit Tb assoziierte Lichtemission der dünnen a-SiC:H:Tb3+, Schichten in Abhängigkeit von der Konzentration by verschiedenen Ausheiltemperaturen zu modellieren. Es konnte eine Aktivierungsenergie der thermischen Aktivierung bestimmt werden. Zuletzt beobachtet man im Falle von a-SiC:H:Tb3+ eine Verminderung der Unterdrückung der Konzentration, welches ein Hinweis darauf ist, dass ein zusätzlicher Mechanismus für die Erhöhung der Lichtemission mit der Tb Konzentration verantwortlich ist.