Лазерному опромінюванні

Лазерне опромінювання кристалів також є радіаційною дією. На відміну від випадку високоенергетичних частинок (швидких іонів і електронів, g- і рентгенівських квантів) енергія одного кванта відносно мала (hv» » 1–4 еВ). Проте інтенсивність випромінювання може бути вельми високою (до 10⁹ Вт/см² і більш), тому окрім електронного збудження, що викликається світловими імпульсами, необхідно враховувати і значний нагрів поверхні опромінюваного напівпровідника. Якщо щільність енергії лазерного імпульсу W перевищує певний поріг W_пл, поверхневий шар зразка випробовує фазовий перехід плавлення.

Основними причинами генерації дефектів за наявності рідкої фази є дифузія неконтрольованих домішок з поверхні зразка в розплавлений шар, а також порушення стехіометричного складу цього шару за рахунок інтенсивного випаровування однієї з компонент у разі напівпровідників складного складу (А³В⁵, А²В⁶).

Істотно більш інтересними з фізичної точки зору є процеси генерації точкових дефектів при опромінюванні лазерними імпульсами допорогових енергій (W < W_пл). На відміну від розглянутих вище випадків термофлуктуаційного і радіаційного механізмів при лазерній дії одночасно діє ряд чинників. Ми аналізуватимемо випадок, коли реалізується фундаментальне поглинання світлових квантів, тобто hv> E_g, і хай тривалість імпульсу складає 10–30 нc. Це типові умови проведення експериментів по лазерному опромінюванню напівпровідників з використанням твердотільних рубінового (hv = 1,8 еВ) або неодимового (hv = 1,17; 2,34 еВ), а також газового ексимерного (hv = 4,0 еВ і більш) оптичних квантових генераторів.

Численні експерименти, виконані на Ge, Si, GaAs, GAP і інших матеріалах свідчать про те, що в умовах допорогових енергій лазерного імпульсу (W < W_пл) виникають точкові дефекти. Докладний розгляд всіх дефектоутворюючих чинників такої дії дозволив виділити найбільш істотні з них: електронне збудження, деформація і тепло, тому відповідна модель отримала назву електронно-деформаційно-теплової (ЕДТ) моделі.

Отже, за один імпульс наносекундної тривалості генеруються електронно-діркові пари з концентрацією до 10²⁰ см^-3. У подальших процесах безвипромінювальної рекомбінації на центрах можлива реалізація механізму зниження енергії утворення нових дефектів (див. розділ 2).

Основне тепловиділення при лазерній дії відбувається при термалізації нерівноважних носіїв і гратки кристала. Характерний час цього процесу ~ с, тобто для наносекундних імпульсів передача енергії від електронно-діркової плазми гратки відбувається практично миттєво в шарі товщиною порядку глибини поглинання світла. Далі за рахунок дифузії тепло розповсюджується на відстань ~ 1–2 мкм.

Нарешті, обидва ефекти – електронне збудження і нагрів – викликають деформацію поверхневого шару. Дійсно, збільшення концентрації вільних носіїв заряду веде залежно від структури енергетичних зон кристала до збільшення (Ge, GaAs) або зменшення (Si, GAP) міжатомної відстані а. Це відомий фотострикційний ефект. Підвищення температури завжди обумовлює зростання а. При лазерних рівнях опромінювання деформації вельми великі: Da/a досягає декількох відсотків. Для більшості твердих тіл енергії утворення як термофлуктуаційних, так і радіаційних дефектів і падають при розширенні гратки на величину .

З урахуванням одночасної дії перерахованих трьох чинників енергія дефектоутворення перенормується:

. (3.4.1)

Процес формування дефектів, очевидно, носить гартівний характер. У зневазі можливим відпалом частини дефектів в процесі охолодження зразка (швидкість охолодження ~ 10⁹ К/с) стаціонарна концентрація центрів після серії імпульсів може бути представлена у вигляді

~ , (3.4.2)

де DT – лазерний нагрів.

У простому випадку для не залежних від температури теплофізичних і оптичних параметрів напівпровідника величини Е_деф і DT є пропорційними густині енергії лазерного імпульсу W і вираз (3.4.2) може бути приведено до вигляду, зручного для порівняння з експериментом:

, (3.4.3)

де С₁, С₂, С₃ – константи.

Експериментальні залежності для Ge і GaAs добре описувалися формулою (3.4.3) при одному підгоночному параметрі . Ця величина виявилася рівною 0,1–0,2 еВ, що істотно нижче за енергію Е_А при чисто тепловій генерації дефектів (див. розділ 2). Це, очевидно, свідчить на користь визначальної ролі електронного збудження кристала при лазерноіндукованому утворенні дефектів.

Подальший розвиток ЕДТ - теорії передбачає явище просторової самоорганізації дефектів у періодичні структури, і це явище дійсно було виявлене експериментально.

Отже, мікроскопічні структурні порушення в кристалі – точкові дефекти – в значній мірі визначають його електрофізичні, оптичні та інші характеристики. Основними шляхами генерації дефектів є термофлуктуаційний і радіаційний, причому в останньому випадку розрізняють надпорогові і допорогові процеси. При лазерній дії на поверхню напівпровідника одночасно діють електронний, деформаційний і тепловий чинники. За певних умов дефекти утворюють просторово-періодичні структури.

Контрольні питання

1. Пояснити дефектоутворення в напівпровідниках у процесі лазерного опромінення.

2. Вплив тривалості імпульсу лазерного опромінення на дефектоутворення під час лазерного опромінення.

3. Записати співвідшення, яке пов’язує параметри опромінення та кристалу з кількістю утворених радіаційних дефектів.

§3.5. Фізичні основи методу іонної імплантації.

Іонна імплантація - це кероване введення в тверде тіло прискорених в електростатичному полі іонізованих атомів чи молекул з енергією від декількох кілоелектронвольт до мегаелектроновольт і здійснюється для модифікації властивостей (насамперед електрофізичних) приповерхневого шару твердого тіла [І-1]. Шляхом направленої дії іонного променю можна керувати трьохвимірним розподілом домішок в опромінених областях кристалу та отримувати леговані шари під поверхнею і в об’ємі напівпровідника.

При взаємодії прискорених іонів з кристалами, окрім явища внутрішньої іонізації і саме проникнення чужого атома в кристал, виникають також і радіаційні дефекти. Ядерні зіткнення супроводжуються великими втратами енергії іона і приводять до зміни напрямку його руху. Це приводить до порушення структури мішені. На шляху проникнення іона утворюються збіднені ділянки - кластери, які представляють собою області з високою концентрацією точкових дефектів. Розміри кластерів можуть досягати 10 нм і більше [І-2]. При великій густині потоку імплантованих іонів кластери зливаються, створюючи при цьому суцільний шар. Відносно стійкі комплекси дефектів структури, які виникають в результаті взаємодії первинних точкових дефектів один з одним і з домішками, а також дислокаційні петлі, що виникають в областях сильних зміщень або областях імпульсного перегріву поблизу зупинки іона, здійснюють досить сильний вплив на властивості опроміненої речовини [І-3]. На даний час вдається підбирати умови іонного проникнення і відпалу дефектів таким чином, що значна частина імплантованих атомів домішок є електрично активною [І-4].