Введение к работе
Актуальность проблемы
Исследование оптических свойств полупроводников, подвергнутых воздействию импульсного лазерного излучения является одним из основных направлений современной физики.
Воздействие лазерного излучения на полупроводниковые соединения приводит к новым, по сравнению с моноатомными полупроводниками, эффектам, обусловленным диссоциацией соединений и инконгруэнтным испарением компонент. Это в сочетании с большой скоростью охлаждения за счет теплоотвода в кристалл должно вызывать формирование слоев с большим отклонением состава от стехиометрического. Такие слои должны представлять собою, по сути дела, новый материал, свойства которого могут сильно отличаться от свойств исходного монокристалла.
Изучение спектров фотолюминесценции и оптического поглощения модифицированных лазерным излучением полупроводников позволяет определить энергетический зазор в запрещенной зоне, расположение уровня Ферми и концентрацию примесей, установить степень и характер нарушения кристаллической решетки, структурно-фазового превращения, а также выяснить природу дефектов, центров излучательной рекомбинации и поглощения света. Возникающие здесь эффекты позволяют судить об изменениях фундаментальных свойств и параметров самих полупроводниковых материалов.
Оптические свойства полупроводников широко используются в электронике при разработке и создании приборов на их основе. В последние годы интенсивно исследуются полупроводниковые
соединения GaAs и InP, в связи с их широким применением в
оптоэлектронике, в частности, при создании полупроводниковых
лазеров, светодиодов и солнечных элементов. Их характеристики в
значительной степени определяются излучательными и
поглощательными свойствами кристаллов. Поэтому исследование
оптических свойств (фотолюминесценции, прозрачности)
модифицированных лазерным излучением полупроводников GaAs и InP представляет не только фундаментальный, но и практический интерес. Все это и обуславливает актуальность темы диссертации.
Цель и задачи работы.
Целью настоящей диссертационной работы являлось комплексное исследование оптических свойств полупроводниковых соединений GaAs и InP, подвергнутых воздействию мощного импульсного лазерного излучения.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи :
- выявить особенности динамики неравновесных процессов нагрева,
плавления и кристаллизации полупроводников GaAs и InP под
действием импульсного лазерного излучения;
установить степень и характер нарушения кристаллической решетки, выяснить природу структурных дефектов;
выяснить природу центров излучательной рекомбинации в модифицированных лазерным излучением кристаллах GaAs и InP;
установить влияние термического отжига на структуру и люминесцентные свойства модифицированных кристаллов ;
выяснить механизм поглощения света в модифицированных кристаллах и установить закономерности поведения фундаментального края.
5 Объекты исследования.
В качестве объектов исследования были выбраны полупроводниковые соединения А В - монокристаллы GaAs и InP. Выбор именно этих двух полупроводников обусловлен: во-первых, их широким применением в современной оптоэлектронике; во-вторых, различной склонностью к диссоциации при плавлении.
Исходные монокристаллы GaAs и InP были получены методом Чохральского, специально нелегированные и легированные разными примесями (для GaAs - Те, Sn, Zn; для InP - Sn, Zn); модифицированные кристаллы были получены из исходных путем облучения их поверхности серией импульсов лазерного излучения (длительность импульса 4мс, длина волны 1,06 мкм). Последнему импульсу серии (модифицирующему импульсу) предшествовали упрочняющие, интенсивность которых составляла 25% от критической, приводящей к разрушению кристалла при моноимпульсном облучении.
Методы исследования.
Выбор лазерного излучения миллисекундной длительности обуловлен тем,что диссоциация соединений и инконгруэнтное испарение компонент возможно только при облучении сравнительно "длинными" импульсами миллисекундного дипазона,так как при использовании "коротких" импульсов пико- или наносекундной длительности инконгруэнтное испарение не успеет произойти и толщина модифицированного слоя не превысит нескольких атомных слоев.
При отборе круга изучаемых явлений и выборе методов исследований в первую очередь обращалось внимание на то, что ожидаемые изменения свойств модифицированных кристаллов должны происходить в приповерхностной области. Это и определило выбор
бесконтактных и неразрушающих методов исследования рентгеноструктурного анализа, фотолюминесценции и прозрачности. Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:
1. По кинетике нестационарной проводимости установлен характер
протекания неравновесных процессов нагревания, плавления и
кристаллизации полупроводников GaAs и InP после обработки
импульсным лазером миллисекундной длительности.
2. Методом рентгеноструктурного анализа обнаружено
разложение полупроводниковых соединений GaAs, InP и отклонение
состава от стехиометрического под действием мощного лазерного
излучения. Определен коэффициент инконгруэнтного испарения.
Выявлены структурные дефекты и обнаружено изменение параметра
решетки кристалла по глубине модифицированного слоя.
3. В спектрах фотолюминесценции модифицированных
кристаллов GaAs и InP при 77К обнаружены новые линии излучения с
энергиями максимума 1,42эВ (GaAs) и 1,35эВ (InP). Установлены
режимы облучения, при которых интенсивности этих линий на
порядок превосходят интенсивности краевой полосы исходных
кристаллов.
-
На основе исследования температурной зависимости спектров фотолюминесценции модифицированных кристаллов GaAs, InP и сравнения с теорией установлен механизм излучательной рекомбинации неравновесных носителей. Определена глубина хвостов плотности состояний.
-
В результате термического отжига модифицированных кристаллов обнаружен эффект усиления интенсивности фотолюминесценции и выяснена природа центров излучательной рекомбинации.
6. В модифицированных кристаллах GaAs, InP обнаружен эффект
смещения фундменталыюго края поглощения света в длинноволновую
область и установлена экспоненциальная зависимость коэффициента
поглощения от энергии квантов. Выявлен механизм генерации
носителей.
7. Под действием импульсного лазерного облучения
полупроводников обнаружен эффект инверсии проводимости с п- на р-
тип и формирования на границе раздела фаз резких р-п-переходов.
Научная и практическая значимость результатов.
Результаты изучения свойств исходных и модифицированных полупроводников GaAs и InP приводят к пониманию особенностей процессов, протекающих при их облучении лазерными импульсами миллисекундной длительности.
Изучение динамики неравновесных процессов методом
нестационарной проводимости позволяет понять физические процессы
нагревания, плавления и перекристаллизации поверхности
полупроводников после лазерной обработки.
Инверсия типа проводимости модифицированного слоя полупроводников с п- на р- тип позволяет формировать резкие стабильные р-n- переходы на границе раздела фаз исходный кристалл -модифицированный слой, что может быть использовано при разработке и создании полупроводниковых диодов.
Использование лазерного излучения для получения слоев нестехиометрического состава открывает возможности управления нестехиометричностью соединения, изучения свойств таких слоев и целенаправленного их изменения.
Модифицированные миллисекундным лазерным излучением полупроводники GaAs и InP, и особенно, подвергнутые затем
8 термическому отжигу, могут быть использованы при разработке и создании светоизлучающих приборов оптоэлектроники (по крайней мере, для области низких температур) в силу того, что интенсивность краевой люминесценции таких кристаллов значительно (до 40 раз) превосходит интенсивность краевой люминесценции исходных монокристаллов.
Связь темы с планами научных работ. Работа выполнялась в
Атырауском университете им. X. Досмухамедова в соответствии с
планами Государственной научно-технической программы ГКНТ
СССР: "Неравновесные процессы в полупроводниках", научно-технической программы МНиНТ РК:"Физика твердого тела, новые материалы и приборы" и Межвузовской целевой программы: "Нелинейные процессы и структурные самоорганизации материи".
Достоверность полученных в диссертации результатов достигается:
- выбором современных хорошо апробированных методик
исследования структуры, люминесценции и прозрачности ;
согласованностью полученных результатов для исходных кристаллов с литературными данными;
воспроизводимостью полученных результатов;
комплексным использованием неразрушающих методов исследования поверхностных слоев полупроводников с применением математических методов обработки экспериментальных данных.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Особенности процессов нагревания, плавления и кристаллизации приповерхностных слоев GaAs, InP при воздействии импульсов лазера миллисекундной длительности: расчет средних скоростей нагрева
9 поверхности кристалла и скорости движения границы раздела фаз при плавлении и кристаллизации.
-
Основные закономерности нарушения структуры кристаллов GaAs и InP: изменение параметра решетки по глубине модифицированного слоя, установление природы создаваемых дефектов, расчет плотности дислокаций и отклонения состава соединения от стехиометрического.
-
Обнаружение в спектрах фотолюминесценции модифицированных кристаллов GaAs при 77К новой яркой линии с энергией максимума 1,42 эВ и выяснение ее природы: влияние примесей исходных кристаллов на люминесцентные свойства, поведение энергии максимума краевой люминесценции по глубине модифицированного слоя, температурная зависимость спектров фотолюминесценции и сравнение с теорией.
-
Эффект возгорания люминесценции модифицированных кристаллов GaAs после термического отжига и установление механизма излучательной рекомбинации.
-
Обнаружение в спектрах фотолюминесценции модифицированных кристаллов InP при 77К новой линии 1,35 эВ и выяснение ее природы: поведение интенсивности и энергии максимума люминесценции от плотности энергии облучения, температурная зависимость спектров, результаты сравнения с теорией и оценка глубины хвостов плотности состояний.
-
Закономерности поведения края фундаментального поглощения света в модифицированных кристаллах GaAs и InP. Механизм поглощения света в области фундаментального края.
-
Конверсию проводимости модифицированных кристаллов с п- на р-тип и формирование резких р-n переходов.
Характер полученных результатов диссертации можно квалифицировать, как новое крупное достижение в развитии
10 перспективного направления - исследования оптических свойств полупроводников, подвергнутых воздействию мощного импульсного лазерного излучения.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и
обсуждались на III Республиканской научно-технической
конференции "Научно-технический прогресс и экология"
(г.Атырау,1994г.); Международном конгрессе "Молодежь и наука-
третье тысячилетие" (г.Москва,1996г.); IX Международной конференции
"Радиационная физика и химия неорганических материалов"
(г.Томск,1996г.); VI Межнациональном совещании "Радиационная
физика твердого тела" (г.Севастополь, 1996г.); научных семинарах
ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, КазГУ им. аль-Фараби, Санкт-
Петербургского гос. технического университета и Атырауского университета.
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 38 печатных работах, включая одну монографию.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из
введения, пяти глав, выводов и заключения. Объём диссертации 290 страниц компьютерного текста, включая 69 рисунков и одну таблицу. Список цитированной литературы включает 230 наименований.
