WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 8 Влияние импульсного лазерного облучения на оптические характеристики и фотопроводимость твердых растворов CdHgTe © Л.А. Головань, П.К. Кашкаров, В.М. Лакеенков, В.Ю. Тимошенко Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия Государственный научно-исследовательский институт редких металлов, Москва, Россия (Получена 23 сентября 1996 г. Принята к печати 25 декабря 1996 г.) Путем численного моделирования процесса облучения Cd0.2Hg0.8Te наносекундными импульсами излучения рубинового лазера определен порог плавления: Wm = 40 50 мДж/см2 при исходной температуре кристаллов T0 = 100 K и Wm = 30 40 мДж/см2 при T0 = 300 K. Обнаружена лазерно-индуцированная модификация поверхности образца при облучении с плотностью энергии W < Wm, проявляющаяся в гашении стационарной фотопроводимости и росте коэффициента отражения. Лазерное воздействие с W выше порога плавления приводит к дальнейшему росту коэффициента отражения в области до W 100 мДж/см2 и падению при W > 110 мДж/см2. При надпороговом облучении зафиксировано монотонное уменьшение сигнала фотопроводимости с ростом плотности энергии излучения лазерного импульса, что может быть объяснено дефектообразованием, вызванным лазерно-индуцированным изменением состава приповерхностной области.

Твердый раствор CdxHg1-xTe является одним из ма- Данные о вариации электронных свойств CdHgTe при териалов современной оптоэлектроники и широко ис- ИЛО немногочисленны и противоречивы. Так, в [7] пользуется для изготовления приемников инфракрасного наблюдалось уменьшение сигнала фотопроводимости излучения. Важное значение имеет разработка новых (ФП) в результате ИЛО. В работе [8], напротив, методов направленной модификации электрических и сообщалось о значительном росте сигнала ФП при облуоптических свойств данного соединения. К их числу чении до- и послепороговыми, с точки зрения авторов, относится импульсное лазерное облучение (ИЛО), отимпульсами. Эти противоречия могут быть связаны с личающееся локальностью и кратковременностью возотсутствием точной информации о пороге плавления, а действия на полупроводник [1]. Исследования лазернотакже о лазерно-индуцированном изменении коэффицииндуцированной модификации структурных, композициента отражения. Модификация последнего в результате онных, рекомбинационных свойств CdHgTe, проводивлазерного воздействия может изменить регистрируемый шиеся с использованием оже-спектроскопии [2,3], ресигнал ФП.

зерфордовского обратного рассеяния [3–5], оптических В настоящей работе были проведены расчеты теплометодов [6–8], позволили выявить ряд процессов, происвых полей в Cd0.2Hg0.8Te с целью определения порога ходящих при ИЛО, в том числе обеднение поверхности плавления поверхности при воздействии наносекундныCdHgTe ртутью [4] и появление немонотонного распреми импульсами излучения рубинового лазера. Экспериделения концентраций компонентов [3].

ментально исследовались изменения коэффициента отОднако по ряду вопросов ИЛО CdHgTe в литературажения в результате ИЛО. Измерялись сигналы стацире не существует единого мнения. Прежде всего это онарной ФП CdHgTe до и после лазерного воздействия.

относится к величине плотности энергии Wm, при которой происходит плавление поверхности CdHgTe при Численное моделирование импульсного ИЛО. Знание величины Wm представляется весьма важным для выяснения вопроса о механизмах лазернолазерного облучения CdHgTe индуцированной модификации полупроводника [9]. Отметим отсутствие прямых экспериментальных измере- Рассматривалось воздействие наносекундными имний величины Wm. Имеющиеся в литературе расчетные пульсами излучения рубинового лазера на монокристалзначения и данные, полученные из косвенных наблюде- лы CdxHg1-xTe (x = 0.2) при исходных температурах ний, весьма противоречивы. Так, в работах [2,6] порог поверхности T0 = 300 и 100 K. Последнее значение было плавления для облучения наносекундными импульсами выбрано в связи с тем, что измерения ФП проводились YAG : Nd-лазера оценен в 30 40 мДж/см2. В [8] поименно при этой температуре. Решалось одномерное рогом плавления для ИЛО CdHgTe излучением рубиноуравнение теплопроводности [1] вого лазера считается значение 160 мДж/см2. Расчеты, T (x, t) T (x, t) проведенные в [10] для случая облучения наносекундC(T ) = K(T ) + P(x, t) ными импульсами рубинового лазера, дали величину t x x Wm = 180 мДж/см2. Последние значения представляютс граничными условиями ся весьма завышенными, поскольку CdHgTe отличается малой теплопроводностью и низкой температурой плаT = 0, T |x = T0, вления.

x x=3 932 Л.А. Головань, П.К. Кашкаров, В.М. Лакеенков, В.Ю. Тимошенко где — плотность, C(T ) — теплоемкость, K(T ) — На рис. 1, a приведены зависимости температуры потеплопроводность, P(x, t) — функция генерации тепла, верхности полупроводника (T ), а на рис. 1, b — толщины расплавленного слоя (d) в случае облучения при P(x, t) =(1 -R)I(t) exp(-x), T0 = 100 K. Как видно из рис. 1, при W 50 мДж/смтемпература поверхности достигает Tm, а толщина рас — коэффициент поглощения, R — коэффициент отраплава составляет около 10 нм. С учетом диапазона темпежения, I(t) — интенсивность лазерного импульса.

ратур плавления для твердого раствора CdHgTe величиПредполагалось, что лазерный импульс имеет гауссову на порога плавления Wm лежит в интервале плотностей форму с длительностью на половине высоты 20 нс. В энергий 40 50 мДж/см2 при T0 = 100 K. С ростом расчетах были использованы зависимости C(T ), K(T ) плотности энергии W температура поверхности и толщииз работы [10], экстраполированные в область низких на расплавленного слоя также увеличиваются, достигая температур в случае облучения при T0 = 100 K. В 1850 K и 200 нм соответственно при W = 110 мДж/см2.

соответствии с данными работы [11] считалось, что коэфАналогичные расчеты, выполненные нами при исходфициент поглощения в твердой фазе = 1.3·105 см-1 и ной температуре кристалла T0 = 300 K, дают значения коэффициент отражения R = 0.35 ( и R были приняты порога плавления 30 40 мДж/см2, что согласуется со не зависящими от температуры). Коэффициент поглозначением Wm, полученным в [2] из анализа композицищения Cd0.2Hg0.8Te в жидкой фазе был выбран равным онных изменений.

5 · 105 см-1 [12], а коэффициент отражения полагался неизменным ввиду малости его вариаций при плавлении (см. далее). Температура плавления была выбрана равМетодика эксперимента ной Tm = 1018 K, т. е. занимающей промежуточное положение между значениями 975 и 1063 K, которые опреБыли использованы монокристаллы Cd0.23Hg0.77Te деляют интервал температур фазового перехода твердое ориентации [111], выращенные модифицированным метело–жидкость в твердом растворе Cd0.2Hg0.8Te [13].

тодом Бриджмена в условиях непрерывной подпитки зоны расплава твердой фазой. Перед проведением экспериментов образцы обрабатывались в растворе брома в этаноле.

Облучение выполнялось импульсами излучения рубинового лазера (длина волны = 694 нм, длительность импульса = 20 нс) в вакууме при T0 = 100 K. Для получения однородного и неполяризованного излучения использовался кварцевый гомогенизатор [9].

Измерялись как статические, так и динамические изменения коэффициента отражения при однократном ИЛО.

Для этого регистрировалась интенсивность отраженного от поверхности образца пробного луча Ar+-лазера ( = 488 нм). Временное разрешение системы регистра ции было не хуже 5 нс.

Изменение рекомбинационных свойств при многократном облучении импульсами различной плотности энергии контролировалось методом стационарной ФП, возбуждаемой излучением непрерывных Ar+- и He–Ne-лазеров с = 488, 633 и 1150 нм при 100 K.

Используемые излучения имели примерно равные интенсивности.

Экспериментальные результаты На рис. 2 приведены временные зависимости коэффи циента отражения в процессе облучения с различными плотностями энергии. Уже при W = 28 мДж/см2 станоРис. 1. a — температура поверхности (T ) Cd0.23Hg0.77Te в вятся заметны вариации коэффициента отражения R, и зависимости от времени облучения (t). W, мДж/см2: 2 — 40, они увеличиваются с ростом W. При W > 30 мДж/см3 — 50, 4 — 70, 5 — 110; T0 = 100 K; 1 — лазерный импульс;

коэффициент отражения не возвращается к своему исштриховые линии соответствуют T = 975 и 1050 K, между ходному значению R0. Действительно, как видно из которыми происходит плавление. b — толщина расплавленного рис. 3, стационарный коэффициент отражения увеличислоя d в зависимости от времени облучения t при W = 50 (1), вается при ИЛО с W = 30 100 мДж/см2. Лазерное 70 (2), 110 (3) мДж/см2 и T0 = 100 K.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Влияние импульсного лазерного облучения на оптические характеристики и фотопроводимость... указать сублимацию компонентов при нагреве. Так, например, ртуть, характеризующаяся давлением насыщенных паров ps 30 атм при T = 970 K [14], может эффективно испаряться до начала процесса плавления.

Это согласуется с данными, полученными в работе [15] при импульсном термическом отжиге CdHgTe. При интерпретации изменений коэффициента отражения и ФП нельзя также исключать возможность иных допороговых механизмов лазерно-индуцированного дефектообразования в приповерхностной области, например, электроннодеформационно-теплового механизма [9].

Обсудим изменения свойств CdHgTe при облучении с энергиями W Wm. Максимальный рост коэффициента отражения в результате ИЛО (рис. 3) достигает 30% (R 0.45), что соответствует величине изменения коэффициента отражения при ИЛО CdTe [16], но меньше, чем аналогичные вариации при лазерном облучении материалов AIV и AIIIBV [17]. Отметим, однако, что динамика изменения коэффициента отражения при ИЛО Рис. 2. Динамика изменения коэффициента отражения (R) Cd0.23Hg0.77Te при облучении. W, мДж/см2: 2 — 19, 3 — 28, 4 — 32, 5 — 77, 6 — 123; T0 = 100 K. 1 — лазерный импульс.

воздействие с плотностями энергии W > 100 мДж/смприводит к падению коэффициента отражения, как видно из рис. 2 (кривая 6) и рис. 3. Одновременно наблюдался рост диффузного рассеяния света от поверхности образца. Измерения спектральной зависимости коэффициента Рис. 3. Зависимость стационарного коэффициента отражеотражения образцов CdHgTe показали, что после ИЛО ния Cd0.23Hg0.77Te от плотности энергии лазерного импульса.

с используемыми плотностями энергий существенных T0 = 100 K.

изменений формы спектра в диапазоне 0.4 1мкм не происходит.

Зависимость величины стационарной ФП IPC от плотности энергии приведена на рис. 4. Видно, что при W = 27 мДж/см2 начинается уменьшение сигнала ФП.

Величина изменения ФП увеличивается с ростом плотности энергии ИЛО и стремится к некоторому стационарному значению. Степень гашения ФП увеличивается с уменьшением длины волны возбуждающего света.

Обсуждение результатов Лазерно-индуцированные изменения коэффициента отражения и ФП начинаются при W 30 мДж/см2.

Рис. 4. Зависимость величины стационарной фотопроводимоДанная величина меньше, чем определенный при рассти Cd0.23Hg0.77Te, нормированной на исходное значение (IPC), четах порог плавления Wm = 40 50 мДж/см2. Это, от плотности энергии ИЛО. Длина волны возбуждающего извероятно, указывает на возможность протекания дополучения, мкм:1— 1.15, 2 — 0.633, 3 — 0.488. Вертикальными роговых процессов при ИЛО CdHgTe. В качестве линиями обозначен интервал плотностей энергий, в котором некоторых возможных допороговых процессов можно находится порог плавления. T0 = 100 K.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 934 Л.А. Головань, П.К. Кашкаров, В.М. Лакеенков, В.Ю. Тимошенко CdHgTe существенно отличается от динамики изменения ного рассеяния [5], составляет 40 нм. В качестве возкоэффициента отражения при ИЛО CdTe и материалов можного механизма образования дефектов можно предположить изменение состава приповерхностной области.

AIV и AIIIBV, у которых регистрировалась немонотонная Последнее подтверждается изменениями коэффициента зависимость R(t) в процессе лазерного воздействия. Это отражения после ИЛО. Характер возможных модифиотличие, возможно, связано с более сложными композикаций состава (профили распредления компонентов) в ционными изменениями в CdHgTe при ИЛО.

результате ИЛО требует дальнейших исследований.

Увеличение коэффициента отражения в результате Итак, в настоящей работе были проведены расИЛО с 30 < W < 100 мДж/см2 можно объяснить измечеты тепловых полей в Cd0.2Hg0.8Te и определен нением кристаллической структуры приповерхностного порог плавления данного материала наносекундныслоя. Другой причиной может быть выделение фазы с ми импульсами рубинового лазера, который составил большим коэффициентом отражения (например, обогаWm = 40 50 мДж/см2 при исходной температуре щенной Hg или Te) в приповерхностом слое. В пользу кристаллов T0 = 100 K и Wm = 30 40 мДж/см2 при первого предположения свидетельствует наблюдавшийT0 = 300 K. Обнаружено лазерно-индуцированное дефекся в [4] отжиг импульсами рубинового лазера ионнотообразование при облучении с W < Wm, проявляющеимплантированного CdxHg1-xTe. Второе предположение еся в гашении стационарной ФП и росте коэффициента о выделении на поверхности фазы с обогащением Hg отражения. Лазерное воздействие с W Wm приводит было выдвинуто в [6]. В [2] наблюдалось увеличение к немонотонной зависимости коэффициента отражения концентрации ртути на глубине 5 10 нм. Хотя в других от плотности энергии: росту при W < 100 мДж/смисследованиях по изменению состава CdHgTe в резульи падению при W > 110 мДж/см2. Сигнал ФП при тате ИЛО [3,4] увеличения концентрации Hg не регинадпороговом воздействии уменьшается, что может быть стрировалось, возможность образования тонкого слоя, объяснено лазерно-индуцированным дефектообразованиобогащенного ртутью, была показана в работе [18], объем, связанным, например, с изменением состава повреясняющей экспериментальные результаты [3] на основе жденной области при ИЛО. Измерения ФП на разных испарения, диффузии и сегрегации Hg в расплаве. Недлинах волн свидетельствуют о поверхностной природе льзя также исключить возможность образования тонкого лазерно-индуцированных дефектов.

слоя, обогащенного Te, на поверхности образцов после лазерного воздействия, с чем может быть связан наблюСписок литературы даемый рост коэффициента отражения. Однако прямые экспериментальные свидетельства сегрегации теллура в [1] А.В. Двуреченский, Г.А. Качурин, Е.В. Нидаев, Л.С. СмирCdHgTe после ИЛО нам неизвестны.

нов. Импульсный отжиг полупроводниковых материаПадение коэффициента отражения при ИЛО с лов (М., Наука, 1982).

W > 110 мДж/см2 связано, на наш взгляд, прежде всего [2] П.В. Голошихин, К.Е. Миронов, А.Я. Поляков. Поверхс интенсивным испарением и кипением расплавленноность. Физика, химия, механика, № 12, 12 (1991).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.