WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 12 Исследование динамики неравновесных решеток, индуцированных фемтосекундными лазерными импульсами в пленках кремния © С.Ф. Галяутдинов¶, В.С. Лобков, С.А. Моисеев, И.В. Неграшов Физико-технический институт Казанского научного центра Российской академии наук, 420029 Казань, Россия (Получена 5 марта 2001 г. Принята к печати 26 апреля 2001 г.) Проведено исследование кинетики распада динамической решетки, образованной неравновесными носителями заряда в тонких монокристаллических пленках кремния при фемтосекундном лазерном возбуждении.

Проанализирован случай предельной концентрации носителей заряда (N 1021 см-3). Произведена оценка вкладов амбиполярной диффузии и оже-рекомбинации в распаде динамической решетки. При интенсивностях накачки (возбуждения) выше 5 · 1011 Вт/см2 обнаружен эффект долгоживущей динамической решетки.

Введение зондирующий пучок Iпр (рис. 1), другая часть в свою очередь снова делилась светоделителем на две равные В настоящее время вызывает большой интерес ди- части, из которых формировались возбуждающие пучнамика свободных носителей заряда в полупроводни- ки I1 и I2. Один из возбуждающих пучков проходил через ках, генерируемых пико- и фемтосекундными лазерны- свою собственную оптическую линию задержки, которая ми импульсами. Этот интерес обусловлен образовани- служила для компенсации разности хода, возникающей ем в полупроводнике сильно неравновесных состояний при делении этих пучков. Два возбуждающих пучка, электронной и фононной подсистем. При использовании пройдя через фокусирующую линзу, пересекались на фемтосекундных лазерных импульсов с пиковой интен- образце под углом и интерферировали между собой, сивностью I 1011 Вт/см2 возможна генерация сильно в результате чего на образце, в области порядка 100 мкм, перегретой электронно-дырочной плазмы с концентра- формировалась интерференционная картина, описываецией носителей N 1021 см-3 [1–3]. Распад подобных мая выражением неравновесных состояний происходит в течение времени I(x, t) =I0(t)[1 + V cos(2x/)], (1) tp = 10-12-10-14 c и обусловлен влиянием нескольких конкурирующих механизмов [1–7]. Цель настоящей где I(x, t) — интенсивность света, x — расстояние вдоль работы заключается в оценке степени влияния основных направления, перпендикулярного биссектрисе между намеханизмов распада электронно-дырочной плазмы в моправлениями I1, I2, V — глубина модуляции, —длина нокристаллических пленках Si на процесс в целом.

волны света, =/2 sin(/2) — период решетки.

Интенсивность дифракции пробного пучка на этой решетке измерялась с помощью ФЭУ в режиме счета Методика эксперимента фотонов (R4220, Hamamatsu) и регистрировалась компьютером.

Эксперимент проводился по методике дифракции В качестве образца использовался чистый кремний пробного луча на наведенной в образце динамической ( = 10 Ом·см). Поскольку в кремнии существует сильрешетке [4,5,8].

В экспериментах использовался кольцевой фемтосекундный лазер на красителях с пассивной синхронизацией мод фирмы Avesta LTD, выполненный по схеме СРM (”colliding-pulse mode-locked”), накачиваемый всеми линиями аргонового лазера ЛГН-512. Получаемые импульсы усиливались в двух шестипроходных каскадах усиления на красителе FN-70, накачиваемых лазером на парах меди. Получаемые в итоге импульсы были спектрально ограничены и имели следующие параметры:

длительность 80 фс, частота следования 10 кГц, энергия в импульсе 2–4 мкДж, длина волны максимума спектра 615 нм, поляризация излучения — горизонтальная. Световой пучок после усиления направлялся на светоделитель и делился на две части в соотношении 30/70.

Меньшая часть направлялась на управляемую компьютером оптическую линию задержки и из нее формировался ¶ E-mail: Mansur@kfti.knc.ru Рис. 1. Схема формирования динамической решетки.

Исследование динамики неравновесных решеток, индуцированных фемтосекундными лазерными... ное поглощение на длине волны лазера ( = 4·103 см-при = 615 нм), толщина образцов выбиралась исходя из того, чтобы оптическая плотность D образцов была близка к 1. В нашем случае толщина образца составляла 10 мкм, а оптическая плотность D 1.1.

Возникновение дифракционной решетки обусловлено светоиндуцированным изменением показателя преломления (n) в пучностях интерференционной картины. Согласно классической модели Друде [5], для Si n = 9 · 10-22 · N для = 1.06 мкм, где N —концентрация неравновесных свободных носителей заряда.

В соответствии с этим глубина фазовой модуляции в исследуемых нами образцах должна зависеть от толщины и уровня возбуждения. Дифракционную эффективность Рис. 2. Дифракционная эффективность динамической решетв 1-й порядок дифракции Fэфф для толщины образца, ки в зависимости от задержки пробного пучка относительно не превышающий глубины скин-слоя, в случае синусовозбуждающих импульсов для трех периодов интерференции.

идальной фазовой решетки можно оценить по известной формуле [4] Fэфф J1(g), (2) диффузионным механизмом в соответствии с уравненигде J1(g) — функция Бесселя 1-го рода, ем (3) в предположении электронейтральности среды g = Nnehd/ — аргумент функции Бесселя, (Nе Nh N):

neh — изменение показателя преломления на одну d/dt · N = Dдифф · d2/dx2 · N, (3) электронно-дырочную пару, d — толщина образца.

Типичное достижимое значение концентрации неравгде Dдифф — коэффициент амбиполярной диффузии. Соновесных носителей заряда в кремнии при наносегласно этой модели, время распада решетки определяеткундном и пикосекундном фотовозбуждении составляет ся выражением N = 1018-1019 см-3 [4–6]. Проведенные нами оценки для таких концентраций по формуле (2) дают величину =2 Dдифф · tр. (4) Fэфф 5 · 10-3-5 · 10-5 для пленок Si с толщиной d 10 мкм. При такой величине Fэфф дифракция увеПо формуле (4) были рассчитаны коэффициенты дифренно наблюдается в эксперименте.

фузии свободных носителей заряда при = 0.64 мкм.

При релаксации таких структур действуют нескольПолученное значение Dдифф 14 см2/с удовлеко конкурирующих механизмов, основными из которых творительно согласуется с литературными данными являются амбиполярная диффузия и оже-рекомбинация (Dдифф 10 см2/с [4,5]).

неравновесных носителей заряда [4]. Для исследова- C увеличением шага решетки скорость ее распада ния особенностей кинетики этой релаксации изменялся уменьшается, однако не в такой степени, как это слепериод интерференционной картины путем измене- довало бы из уравнения (3). Можно сделать вывод, ния угла между пучками I1 и I2 (рис. 1). В этом что в случае зависимостей 2 и 3 на рис. 2 распад случае изменяется вклад амбиполярной диффузии, что решетки происходит не только за счет диффузии, но позволяет оценить степень ее влияния на процесс релак- и за счет рекомбинации свободных носителй заряда.

сации. Образец находился при комнатной температуре.

При наличии больших концентраций N целесообразно В процессе экспериментов контролировалось отсутствие оценить влияние оже-рекомбинации на скорость распанеобратимых изменений в образце. да решетки. Кинетика релаксации решетки электроннодырочной плазмы в условиях электронейтральности благодаря диффузии и оже-рекомбинации описывается слеРезультаты и обсуждение дующим уравнением [5]:

Полученные нормированные зависимости дифракциd/dt · N = Dдифф · d2/dx2 · N - N3, (5) онной эффективности от задержки пробного импульса относительно возбуждающих импульсов для трех различ- где — коэффициент оже-рекомбинации.

ных периодов интерференционной картины приведены на рис. 2. Значения угла между лучами, периода решетки и постоянной времени распада решетки tр № периода, град, мкм tр, 10-12 c приведены в таблице.

1 57 0.64 При малых периодах решетки полученные экспери- 2 14 2.63 3 7 5.26 ментальные результаты удовлетворительно объясняются Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 1430 С.Ф. Галяутдинов, В.С. Лобков, С.А. Моисеев, И.В. Неграшов Список литературы [1] Н.И. Коротеев, И.Л. Шумай. Физика мощного лазерного излучения (М., Наука, 1991).

[2] C.V. Sank, R. Yen, C. Hirlimam. Phys. Rev. Lett., 51, (1983).

[3] A. Tom, G. Aumiller, C. Brito-Cruz. Phys. Rev. Lett., 64, (1988).

[4] С.Г. Одулов, И.И. Пешко, М.С. Соскин, А.И. Хижняк. УФЖ, 21 (11), 1869 (1976).

[5] J.P. Woerdman. Opt. Commun., 2 (5), 212 (1970).

[6] А.М. Бонч-Бруевич, В.А. Ковалев, Г.С. Романов, Я.А. Имас, М.Н. Либенсон. ЖТФ, 38 (4), 677 (1968).

[7] В.А. Абакумов, И.Н. Яссиевич. ФТП, 11 (8), 1302 (1972).

[8] В.С. Лобков, С.А. Моисеев, Е.А. Штырков. Опт. и спектр., Рис. 3. Дифракционная эффективность динамической ре64 (1), 79 (1988).

шетки с малым периодом в зависимости от задержки проб[9] Ю.В. Копаев, В.В. Меняйленко, С.Н. Молотков. ЖЭТФ, ного пучка относительно возбуждающих импульсов при 89 (4), 1404 (1985); Микроэлектроника, 14 (2), 153 (1985).

I 5 · 1011 Вт/см2.

Редактор Л.В. Беляков Femtosecond time-resolved study Для больших периодов существует простая асимof dynamic laser-induced nonequilibrium птотика поведения N(t):

grating in Si films N(t = 0) M.F. Galyautdinov, V.S. Lobkov, S.A. Moiseev, N(t). (6) 1 + 2t(N(t = 0))I.V. Negrashov Kazan Physical-technical Institute of the Kazan Используя (2) и (6), можно получить следующую Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, оценку времени распада решетки tр только за счет оже420029 Kazan, Russia рекомбинации при больших периодах решетки :

Abstract

Kinetics of the decay of a dynamical grating formed by tр = 2(N(t = 0))2 -1. (7) nonequilibrium charge carries in thin monocrystalline silicon films under femtosecond laser excitation are studied. A case of limiting Для N(t = 0) = 1020 см-3, 4 · 10-31 см6/с [7] concentration of charge carriers (N 1021 cm-3) is analyzed.

получаем tр 100 пс, что близко к наблюдаемому нами Contributions of ambipolar diffusion and Auger-recombination in поведению сигнала дифракции (рис. 2, кривая 3).

the decay of a dynamical grating are estimated. At high intensities Нами была также обнаружена дополнительная особен(> 5 · 1011 W/cm2) an effect of th long-lived (12 ps) dynamical ность в распаде, которая наблюдалась при плотности grating is discovered.

возбуждающей мощности, превышающей 1011 Вт/см2.

В этом случае наблюдалась задержка распада решетки с малым периодом ( 0.64 мкм), проявившаяся в виде образования плато протяженностью 12 пс (рис. 3). Мы полагаем, что это обусловлено металлизацией поверхности полупроводника, вызванной образованием электронно-дырочной плазмы с концентрацией N > 1021 см-3, детально проанализированной в работах Копаева [9].

Таким образом, изучение дифракции на наведенных светом динамических структурах в тонких пленках полупроводников позволяет изучать процессы, происходящие в сильно неравновесной электронно-дырочной плазме.

Мы надеемся, что дополнительные эксперименты позволят лучше понять рассмотренные выше механизмы релаксации, и в том числе образование и свойства металлизированного состояния в полупроводнике.

Работа была поддержана грантами РФФИ № 00-1596615 и № 00-15-97410.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып.




© 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.