Введение к работе
Актуальность проблемы. Импульсное лазерное облучение (ИЛО) полупроводников представляет большой интерес как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. Воздействие лазерного импульса на поверхность полупроводника вызывает значительное отклонение от состояния термодинамического равновесия. Энергия лазерного импульса первоначально запасается электронной системой полупроводника и в дальнейшем передается кристаллической решетке, вызывая ее нагрев. При достаточной энергии лазерного импульса происходит плавление приповерхностных слоев кристалла, которое зачастую сопровождается интенсивным испарением с поверхности. Последующее быстрое затвердевание расплава также является неравновесным процессом.
ИЛО, отличающееся локальностью и кратковременностью воздействия на материал, является уникальным инструментом направленной модификации свойств полупроводника. Известны применения данного процесса для отжига ионно-легированных слоев, формирования полупроводниковых слоев на подложках, создания омических контактов.
Настоящая работа посвящена изучению лазерно-индуцированных явлений в CdTe и CdxHg].xTe. Данные полупроводники принадлежат к числу важных материалов современной оптоэлектроники. Теллурид кадмия используется для создания солнечных элементов, электрооптических модуляторов, приемников жесткого излучения, а также в качестве подложки для роста слоев CdxHgi_xTe, Твердый раствор CdxHg[.xTe находит широкое применение для изготовления приемников инфракрасного излучения,
2 чувствительных в окнах прозрачности атмосферы 3 - 5 и 8 - 14 мкм.
К числу особенностей CdTe и CdHgTe относятся большая, чем у материалов групп A1V и AI!IBV, степень ионности и сильное электрон-фононное взаимодействие. Важными для ИЛО свойствами данных материалов являются сравнительно низкие величины теплопроводности и теплоемкости. Эти особенности могут стать причиной протекания лазерно-индуцированных процессов, отличных от наблюдавшихся при лазерном воздействии на полупроводники AIV и AlnBv.
Исследование плавления и модификации дефектов при ИЛО CdTe и CdxHg]_x7e проводится с начала 80-ых годов. Однако, в отличие от полупроводников групп AIV и AIIIBV, особенности лазерного воздействия на CdTe и CdxHgi_xTe к моменту постановки настоящей работы были изучены явно недостаточно. Результаты исследований во многом носили ограниченный, несистематический характер. Прежде всего было неизвестно точное значение плотности энергии лазерного импульса, при котором начинается плавление поверхности (порог плавления Wm). Между тем, очевидно, что ИЛО с плотностями энергии W < Wm и W > Wm может инициировать совершенно различные процессы в приповерхностных слоях полупроводника.
Литературные данные о лазерно-индуцированных модификациях состава и рекомбинационных свойств приповерхностных слоев этих материалов содержат существенные противоречия. Невыясненным оставалось распределение дефектов по глубине. Практически не было исследовано изменение электрических свойств приповерхностных слоев и
образование электрически активных дефектов. Крайне мало внимания уделялось вариациям оптических свойств CdTe и CdHgTe в результате лазерного воздействия.
В связи с вышесказанным были поставлены следующие задачи:
Экспериментально и с помощью численного моделирования определить пороги плавления CdTe и CdHgTe. Проанализировать динамику лазерного плавления данных соединений.
Изучить изменения состава приповерхностных слоев CdTe и CdHgTe в результате лазерного воздействия. Получить профили распределения по глубине концентраций компонентов в облученном материале.
Исследовать процесс образования дефектов при ИЛО, контролируя дефектообразование по изменению структурных, оптических и рекомбинационных свойств CdTe и CdHgTe.
Для решения поставленных задач был использован комплекс методов. Определение порога плавления осуществлялось методом генерации второй гармоники (ВГ). Динамика плавления образца контролировалась с помощью регистрации коэффициента отражения с временным разрешением. Для исследования изменений в составе соединений был использован метод резерфордовского обратного рассеяния (POP). Образование структурных дефектов изучалось с помощью резерфордовского рассеяния в сочетании с каналированием ионов (РОРКИ) и генерации ВГ. Образование электрически активных дефектов фиксировалось методом фотоотр.ажения. Для исследования влияния ИЛО на рекомбинационые свойства CdTe и CdHgTe применялись методы фотолюминесценции (ФЛ) и фотопроводимости (ФП).
Научная новизна. В результате исследования импульсного лазерного воздействия на кристаллы CdTe и CdHgTe выявлен ряд важных закономерностей процесса лазерно-индуцированнои модификации свойств этих полупроводников:
-
Впервые с помощью расчета тепловых полей при ИЛО определены такие характеристики фазового перехода плавления в CdTe и CdHgTe, как значения порогов плавления, толщины расплавленных слоев и скоростей рекристаллизации.
-
Впервые экспериментально с использованием методов нелинейной оптики установлены значения порогов плавления Wm CdTe и CdHgTe при ИЛО. Получены новые данные о динамике лазерно-индуцированных фазовых переходов в изучаемых материалах, в том числе о кипении расплава CdTe.
-
Показано, что в результате ИЛО с W > Wm происходит обеднение приповерхностных слоев CdTe и CdHgTe легколетучими компонентами (ртутью в случае CdHgTe, кадмием в случае CdTe). Определены распределения концентрации компонентов по глубине кристалла.
-
Установлено, что облучение лазерными импульсами с плотностью энергии W < Wm не вызывает заметных изменений структурных свойств исследуемых полупроводников. Зафиксирована генерация как точечных, так и протяженных дефектов в CdTe и CdHgTe при лазерном воздействии с W >
-
Обнаружено, что лазерно-индуцированное дефектообразование в CdTe и CdHgTe проявляется в модификации электрических, оптических и
рекомбинационных свойств приповерхностных областей исследуемых материалов.
Автор защищает
-
Новые данные о процессах лазерно-индуцированного плавления поверхности CdTe и CdHgTe.
-
Новые данные об изменении в результате ИЛО распределений концентрации компонентов по глубине изучаемых материала.
-
Новую информацию о распределении точечных дефектов по глубине в приповерхностных слоях облученных кристалллов CdTe и CdHgTe.
-
Вывод о лазерно-индуцированной модификации оптических, электрических и рекомбинационых свойств приповерхностных слоев CdTe и CdHgTe.
Практическая ценность. Полученные в работе данные характеризуют лучевую стойкость CdTe и CdHgTe. Они могут быть использованы для направленной модификации свойств обоих материалов с помощью ИЛО. В связи с этим важное значение имеют результаты детального изучения особенностей лазерно-индуцированного плавления, а также распределения компонентов в облученном материале. Новая информация об изменении рекомбинационных характеристик CdTe и CdxHgi_xTe полезна при разработке оптоэлектронных приборов на основе данных материалов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на XV Международной конференции по _ когерентной и нелинейной оптике (С.-Петербург, 1995), XXVI Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами
(Москва, 1996) и конференции молодых ученых по лазерной физике и теории нелинейных волн (Москва, 1996).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, список которых приведен в автореферате.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из ведения, четырех глав, основных выводов и содержит 186 страниц текста, 2 таблицы, иллюстрирована 60 рисунками. Список цитируемой литературы включает 92 наименования.
