Дефектоутворення у приповерхневих шарах монокристалів GаAs під впливом низькорівневого просторово-модульованого лазерного опромінення

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет

імені В. Н. Каразіна

УДК 532.311.322; 621.315.592; 539.4

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Дефектоутворення у приповерхневих шарах монокристалів GаAs під впливом низькорівневого просторово-модульованого лазерного опромінення

спеціальність 01.04.07 - фізика твердого тіла

Москаль Денис Степанович

Харків - 2008

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Слов'янському державному педагогічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:доктор фізико-математичних наук, доцент Надточій Віктор Олексійович, завідувач кафедри фізики Слов'янського державного педагогічного університету Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Бойко Юрій Іванович, професор кафедри фізики кристалів Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України

кандидат фізико-математичних наук, доцент Лазаренко Анатолій Григорович, доцент кафедри загальної та експериментальної фізики національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться « 10 » жовтня 2008 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.03 у Харківському національному університеті імені В. Н. Каразіна (61077, м. Харків, пл. Свободи, 4, ауд. ім. К. Д. Сінельникова).

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна за адресою 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4.

Автореферат розіслано« 9 » вересня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В. П. Пойда

Загальна характеристика роботи

лазерний опромінення густина дифракція

Актуальність теми дисертації. Вважається, що у найближчому майбутньому продуктивність цифрових електронних пристроїв буде зростати за експоненціальним законом згідно з принципом Муре. Така тенденція прискорює використання у мікроелектроніці напівпровідникових сполук з підвищеною рухливістю носіїв заряду, до яких відносять монокристали GaAs. На даний час на основі цієї сполуки вже створені мікросхеми, що працюють на частотах до 8 ГГц. Крім цього, арсенід галію знайшов широке використання у нанотехнологіях, зокрема при виробництві квантово-розмірних структур та високочастотних лазерів на їх основі, що дозволяють будувати оптичні лінії передачі даних, які працюють зі швидкостями до 10 Гбіт/с.

Серед способів формування напівпровідникових наноструктур найбільше поширення знайшли методи, які ґрунтуються на різноманітних процесах самоорганізації, що діють під час релаксації напружених гетероструктур. Природні механізми, які при цьому використовуються, базуються на спонтанному зародженні та рості структур, що дозволяють керувати геометричними розмірами і місцезнаходженням нанооб'єктів лише у певних межах.

Для планарного формування приповерхневих наноструктур з точним позиціюванням окремих елементів пропонується використовувати голографічну фотолітографію, або модифікацію структури підкладки безпосередньою дією лазерного випромінювання із заданим розподілом інтенсивності. Безпосереднє лазерне опромінення дозволяє активувати дефектно-дифузійні процеси у поверхневому шарі кристалу та формувати у напівпровідниковій підкладці атомні кластери. Важливо підкреслити, що кластери, які вбудовані у монокристалічну матрицю GaAs і містять багато атомів, впливають на властивості матеріалу за механізмом, що істотно відрізняється від звичайного легування.

У даній роботі основна увага приділяється новому принципу адресної модифікації морфології приповерхневих шарів арсеніду галію, при якій розподіл окремих елементів масиву наноструктур є керованим процесом. Основою методу є дія на кристал просторово-модульованого лазерного опромінення з низькою інтенсивністю, що не призводить до виникнення розплаву, але стимулює активацію важливих для дефектоутворення ефектів: нагрівання, деформації поверхні та електронного збудження центрів.

Зв'язок роботи з науковими темами. Наукові результати, що наведені у дисертаційній роботі, одержані в ході виконання держбюджетних НДР: «Дослідження впливу низькотемпературної деформації на фізичні властивості германію, кремнію та напівпровідникових сполук типу А₃В₅» (2000-2002рр., ДР №0101U000749); «Дослідження впливу низькотемпературної деформації на фізичні властивості напівпровідників» (2003-2005рр., ДР №0103U000514).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає у з'ясуванні фізичних закономірностей дефектоутворення у приповерхневих шарах монокристалів GaAs при дії низькорівневого лазерного опромінення з просторовою модуляцією інтенсивності. Для досягнення поставленої у роботі мети було необхідно:

– виконати теоретичні розрахунки температурного поля, розподілу деформації і термічних напружень у зоні лазерної плями на опроміненій поверхні GaAs;

– визначити порогову густину оптичної енергії лазерного випромінювання з гауссовим розподілом інтенсивності для передплавильної температури нагрівання поверхні;

– розрахувати розподіл інтенсивності опромінювання при дифракції від екранів різного профілю;

– виконати експериментальні дослідження структури приповерхневих шарів GaAs, утвореної просторово-модульованим лазерним опромінюванням, різними методами: оптичною, растровою електронною мікроскопією (РЕМ) та атомно-силовою мікроскопією (АСМ).

Об'єктом дослідження є напівпровідникові монокристали GaAs марки АГЧТ-1-25а-1.

Предмет дослідження - процеси структурної модифікації приповерхневих шарів монокристалів GaAs, ініційованої імпульсним лазерним випромінюванням, та її особливості при модуляції інтенсивності різними методами.

Методи дослідження: опромінювання кристалів GaAs у допороговому режимі імпульсами лазерного випромінювання з гауссовим та дифракційним розподілом інтенсивності; комплексне структурне дослідження опромінених зразків GaAs, яке полягає у використанні методів металографії, АСМ-вимірювань рельєфу та фазового складу поверхні кристала, РЕМ у режимі вторинних електронів і рентгенівської спектроскопії характеристичного випромінювання; розрахунки розподілу інтенсивності дифракційно-модульованого лазерного випромінювання за методами зон Френеля та інтегралів Кірхгофа; числові методи інтегрування і диференціювання у розрахунках латерального розподілу температури та деформації у зоні лазерного опромінення; розрахунок концентрації лазерно-стимульованих центрів у рамках електронно-деформаційно-теплової (ЕДТ) моделі дефектоутворення; розрахунок дифузійного перерозподілу точкових дефектів за другим законом Фіка.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукова новизна дисертаційної роботи полягає у тому, що в ній вперше:

1. Запропоновано новий метод структурної модифікації приповерхневих шарів монокристалів GaAs лазерним опроміненням допорогової густини енергії, при якій не відбувається розплавлення та руйнування кристалу, з використанням дифракційних ефектів.

2. Виконані числові розрахунки полів температур, деформацій і термічних напружень, що створюються у приповерхневому шарі GaAs з урахуванням характеристик лазерного випромінювання і змін широкого спектру фізичних властивостей опромінюваного кристала: оптичного поглинання, теплоємності, теплопровідності, теплового розширення, анізотропії пружності і зміни концентрації носіїв заряду.

3. Структурними дослідженнями встановлено значення граничної густини енергії опромінення GaAs для мілісекундного лазерного імпульсу (W_b =25 Дж/см²), нижче якої відбувається утворення дефектів точкового типу без активації процесів дислокаційного ковзання і утворення тріщин.

4. Експериментально показана можливість утворення низькорозмірних кластерних структур у приповерхневому шарі GaAs під дією мілі- та наносекундних лазерних імпульсів з латерально-періодичним розподілом інтенсивності.

5. Розраховані значення густини енергії низькорівневого дифракційного лазерного опромінення, температури і градієнта термічних напружень, при яких у приповерхневому шарі монокристалів GaAs відбувається формування кластерів.

6. Запропоновано механізм утворення кластерних структур як результат дифузійно-деформаційного перерозподілу власних точкових дефектів GaAs під дією дифракційно-модульованого лазерного опромінення.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що вони поглиблюють розуміння фізичних явищ, які відбуваються у приповерхневому шарі монокристалу GaAs в умовах низькорівневого лазерного опромінення. Запропонована нова методика адресного формування масивів атомних кластерів у тонкому приповерхневому шарі напівпровідникової матриці GaAs. Розроблені спеціалізовані комп'ютерні програми, які дозволяють моделювати процеси переносу у приповерхневому шарі монокристалів GaAs при лазерному опроміненні. Отримані результати сприяють розвитку нового підходу до створення напівпровідникових приладів, який ґрунтується на використанні особливих властивостей кластерних структур.

Особистий внесок здобувача. Автором виконано: підготовку зразків GaAs, виготовлення дифракційних масок та їх позиціювання безпосередньо на поверхні кристалів GaAs за допомогою переобладнаного ним мікротвердоміра ПМТ-3, спряження металографічного мікроскопа МЕТАМ-Р1 з цифровою фотокамерою C5050Z з USB інтерфейсом та відео-монітором, проведення експериментів з опромінення кристалів GaAs із заданим розподілом інтенсивності у допороговому режимі. Створено комплект програмного забезпечення, за допомогою якого було розраховано розподіл температури, полів деформації і концентрації лазерно-стимульованих дефектів у приповерхневому шарі в межах опроміненої зони кристалів GaAs. Розроблена супровідна утиліта, яка дозволяє знаходити дифракційний розподіл інтенсивності і моделювати дифракційні маски для одержання необхідних мікроголограм.

Комплекс структурних досліджень, що включає методи оптичної, атомно-силової, растрової електронної мікроскопії та рентгенівського спектрального аналізу виконаний спільно із співробітниками Інституту напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України та лабораторії растрової електронної мікроскопії Сумського ВАТ «SELMI».

Автор брав участь у постановці задач та виконанні досліджень, обговоренні їх результатів і написанні усіх опублікованих праць.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на таких наукових конференціях, форумах і семінарах:

Відкрита Всеукраїнська конференція “Сучасні питання матеріалознавства” (Харків, Інститут монокристалів, 2003). V Міжнародна наукова конференція студентів та молодих учених «Політ-5» (Київ, Національний авіаційний університет, 2005). 10-й ювілейний міжнародний молодіжний форум «Радіоелектроніка і молодь в ХХI ст.» (Харків, Харківський національний університет радіоелектроніки, 2006). 45-а Міжнародна конференція «Актуальные проблемы прочности» (Белгород, Белгородский государственный университет, 2006). ХІ Міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок та наносистем (Івано-Франківськ, Прикарпатський національний університет ім. В. Стефаника, 2007). Міжнародна конференція «Мезоскопичекие явления в твердых телах» (Донецьк, Донецький фізико-технічний інститут ім. А.А. Галкіна НАН України, 2007). Семінар «Формирование кластерных структур в поверхностном слое GaAs воздействием дифракционно-модулированного лазерного облучения» (Донецьк, Донецький фізико-технічний інститут ім. А.А. Галкіна НАН України, 2007). Конференція молодих вчених «Лашкарьовські читання» (Київ, Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, 2008).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 17 наукових праць, у тому числі 8 статей у наукових журналах, 1 у збірнику наукових праць та 8 у тезах наукових конференцій.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, списку використаних джерел та 3 додатків. Загальний обсяг дисертації становить 138 сторінок друкованого тексту і містить 68 рисунків, 2 таблиці, список цитованої літератури у кількості 171 найменування та двох додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито стан проблеми, її значимість, обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету й задачі дослідження, розглянуто наукову новизну роботи та її практичну цінність, наведено інформацію про апробацію результатів дисертації та особистий внесок автора.

Розділ 1 „Властивості ідеальної та реальної поверхні кристалів GaAs. Модифікація поверхневих шарів кристалу при лазерному опроміненні”. У ньому розглянуто деякі властивості атомарно-чистої та реальної поверхні кристалів GaAs. Відзначається, що крім особливих властивостей, які притаманні віцінальній поверхні (регібридизація хімічних зв'язків поверхневих атомів, більша величина їх середньоквадратичних зміщень порівняно з об'ємними значеннями, відмінність констант пружності решіток поблизу поверхні і в об'ємі та ін.), реальна поверхня відрізняється також хімічним складом, підвищеною концентрацією дефектів і чутливістю до зовнішніх збуджень, великими коефіцієнтами дифузії компонент сполуки, які потрібно враховувати при розв'язанні задач структурної модифікації приповерхневих шарів кристалу GaAs під дією лазерного опромінення.

У залежності від густини енергії , яка сприймається поверхнею кристала, розглянуто різні механізми структурної модифікації, та вказано три їх характерних рівня: при W = W_m відбувається плавлення кристалу; граничний рівень W_b<W_m, який розділяє два механізми дефектоутворення - при W>W_b генеруються дислокації, а нижче W_b - точкові дефекти; нижче у деякому проміжку до значення W_b відбувається генерація лише точкових дефектів і при подальшому зниженні до W<W_p істотних структурних змін у кристалічній решітці не спостерігається. Знання вказаних рівнів дозволили вибирати у подальших дослідженнях такі низькорівневі режими лазерного опромінення кристалів GaAs, які б збуджували лише генерацію точкових дефектів.

Вказано, що критичні рівні густини енергії лазерного опромінення можуть бути теоретично обґрунтовані за допомогою електронно-деформаційно-теплової (ЕДТ) моделі. Розглянуті основні положення ЕДТ-теорії, яка описує процеси дефектоутворення у напівпровідникових кристалах під дією лазерного опромінення. Для розрахунку концентрації лазерно-індукованих дефектів використовували формулу

. (1)

У формулі (1) - енергія активації дефекту, - енергія активації дефекту за присутності електронного збудження, - потенціал деформації, який дорівнює , - акустична деформація решітки, - стала Больцмана, - температура. Враховуються дві причини появи деформації : нагрівання та електронне збудження. Вираз (1) було включено в алгоритм авторської програми “STRESS”.

Зазначається, що згідно до рівняння (1) концентрація дефектів залежить від розподілу температури і деформації поверхні, які визначаються густиною енергії лазерного опромінення. Тому при використанні просторово-модульованного за інтенсивністю лазерного опромінення створюються умови для модуляції концентрації точкових дефектів на поверхні кристалу. У даній роботі запропоновано використовувати явище дифракції для просторової модуляції інтенсивності нізкорівневого опромінення, при якому не відбувається розплавлення кристалу, але при цьому задається нерівномірний розподіл енергії електромагнітної хвилі по поверхні кристалу. У такий спосіб з'являється можливість керовано створювати упорядковані структури, які будуть містити лише точкові дефекти і запобігати руйнуванню і генерації дислокацій у кристалі.

У розділі 2 „Методика проведення теоретичних розрахунків і експериментальних досліджень” відмічається, що до числа факторів лазерного дефектоутворення відносяться нагрівання, механічна деформація та електронне збудження. Наведена методика проведення теоретичних розрахунків для визначення розподілу густини енергії, температури, деформації і термічних напружень у зоні лазерного опромінення. Для складання алгоритму визначення параметрів лазерного опромінення запропоновано використовувати формулу Сімпсона числового інтегрування функцій f(x). Розв'язання диференціальних рівнянь, які описують процеси поглинання оптичної енергії та явища переносу, виконано числовим методом кінцевих різниць. У роботі було запропоновано розв'язувати рівняння теплопровідності методом сіток, а дифракційні рівняння Кірхгофа і Френеля - за методом Ейлера.

Описані методики проведення експериментів: підготовки зразків GaAs до випробувань, виготовлення дифракційних масок, опромінення кристалів та їх структурних досліджень різними методами (оптичною, растровою електронною та атомно-силовою мікроскопією). Наведені характеристики лазерних установок, що використовувались для опромінення монокристалів GaAs: прилад УІГ-1М з рубіновим ОКГ () працював у режимі вільної генерації (, ), діаметр лазерної плями становив ~3 мм; експериментальний прилад ЛТІПЧ-16 з YAP:Nd⁺³ (л = 1,08 мкм) використовувався у режимі модульованої добротності (, ) на другій гармоніці (л = 540 нм), діаметр лазерної плями становив ~2 мм.

Деякі методи проведення теоретичних розрахунків температурних полів у GaAs і структурних досліджень були раніше запропоновані і з успіхом використані автором для монокристалів Ge [1-4].

У розділі 3 „Розрахунки полів температур, деформацій і термічних напружень у приповерхневих шарах GaAs, ініційованих імпульсним лазерним опроміненням” виконані методами, запропонованими у другому розділі. В основу теплової задачі було покладено розв'язання диференціального рівняння другого порядку

, (2)

де - теплоємність, - густина досліджуваної речовини, - час від початку дії імпульсу лазерного опромінення, - координата углиб кристала, - коефіцієнт теплопровідності, - теплова потужність, яка вводиться у кристал опроміненням. Миттєве значення визначається з урахуванням використаного режиму випромінювання (імпульс вільної генерації чи модульованої добротності) та просторовим розподілом інтенсивності по лазерній плямі (гауссовий чи дифракційно-модульований). Особливість розв'язування рівняння (2) полягала у необхідності врахування температурної залежності , і коефіцієнта поглинання, який неявно входить до значення . У даній роботі рівняння (2) розв'язувалось як для гауссового так і для дифракційно - модульованого опромінення кристалів GaAs. Для комп'ютерних обчислень початкові умови були введені до програми „STRESS” і рівняння (2) розв'язувалось за методом сіток. Результати розрахунків розміщувались у тривимірному масиві даних, які визначають розподіл температури кристала у різні моменти часу від початку дії лазерного імпульсу. Одержані результати про зміну температури в опроміненій зоні наведені на рис.1. Вони були використані у подальшому для розрахунку деформації поверхні і встановлення граничних параметрів лазерного опромінення. Розподіл деформацій на опроміненій поверхні в залежності від координат і часу дії лазерного імпульсу знаходився з урахуванням температурної залежності коефіцієнту теплового розширення за формулою

, (3)

де - ступінь відносної деформації, - початкова температура кристалу.

Наступним етапом розв'язання було визначення термічних напружень в залежності від температури та координат для різних кристалографічних площин. З урахуванням температурної залежності модуля Юнга і анізотропії кристалу кінцеві формули мають такий вигляд:

, (4)

, (5)

, (6)

де формули (4), (5) і (6) можна застосовувати до розрахунків для площин (100), (110) та (111) відповідно. У формулах - компоненти тензора піддатливості, - кут між вибраним і кристалографічним напрямками, які належать до однієї із вказаних площин.

Дифракційний розподіл інтенсивності при дифракції від екранів з різними товщиною b і профілем розраховували за формулами Френеля та Кірхгофа. Визначено коефіцієнт інтенсивності при дифракції від напівплощини (рис.2)

, (7)

де - інтенсивність не дифрагованого випромінювання, і - інтеграли Френеля, що описують спіраль Корню.

При дифракції від прямокутного вирізу (рис.3) коефіцієнт розподілу інтенсивності опромінення знаходиться як добуток розподілу інтенсивності дифрагованого променя від кожної із сторін екрану

. (8)

При такій дифракції майже удвічі збільшуються перепади між мінімальними і максимальними значеннями інтенсивності порівняно із такими ж значеннями для екрану у вигляді напівплощини.

Наведемо формулу, яка дозволяє чисельно розраховувати амплітуду дифракційно-модульованої електромагнітної хвилі для довільного профілю екрана

. (9)

У формулі (9) - відстань від обраної точки на опроміненій поверхні до елементарної площини з номером хвильового фронту у площині екрану, - кут між нормаллю до елемента хвильового фронту і напрямком , - хвильове число. За формулою (9) був розрахований розподіл інтенсивності опромінення на поверхні кристала при дифракції від екранів нестандартного профілю (квадратного отвору і клиновидного екрану з різною висотою сторін). Теоретично розв'язана зворотна задача синтезу мікроголограми для заданого розподілу інтенсивності на опроміненій поверхні. У такий спосіб можна задавати необхідний розподіл лазерно-індукованих структурних утворень, які можуть мати особливі фізичні властивості.

У розділі 4 „Модифікація поверхневих шарів кристалів GaAs дією імпульсного лазерного опромінення з різною модуляцією інтенсивності” наведені результати експериментальних досліджень та їх обговорення.

Утворення дефектів під дією лазерних імпульсів з ф_р = 1 мс

1. Опромінення з гауссовим розподілом інтенсивності. Експериментально визначена гранична доза опромінення GaAs для імпульсу з ф_р = 1 мс. При W>W_b на поверхні утворюються лінійні дефекти (рис.4, а), а при менших значеннях, коли W<W_b, структурними методами виявляється дефектний шар з підвищеною концентрацією лише точкових дефектів (рис.4, б). Із порівняння теоретичних розрахунків (рис.1) та результатів експериментальних досліджень (рис.4, а і рис.4, б) встановлено також, що температура на межі між а і б зонами у процесі опромінення сягає 850 К. При ще меншій густині енергії лазерного опромінення, на межі дефектної і не модифікованої поверхні кристала (рис.4, б), максимальна температура становить T ? 400 K, а термічне напруження у ? 100 МПа. Знання граничних температур і напружень, у межах яких створюються лише точкові дефекти у приповерхневих шарах, дозволяє розвивати новий підхід до керування властивостями напівпровідника, який ґрунтується на формуванні поблизу його поверхні нанорозмірних кластерів.

2. Опромінення з дифракційним розподілом інтенсивності. Опромінення кристалів дифракційно-модульованими лазерними імпульсами виконувалось при рівнях інтенсивності W<W_b. При дифракції від екрану у вигляді напівплощини інтенсивність лазерного опромінення на поверхні мала розподіл, який вказано на рис.2, і не перевищувала 25 Дж/см².

Після хімічного травлення опромінених монокристалів GaAs була виявлена лінійно-періодичної структура (рис.5), яка адекватно відображала заданий розподіл енергії. У тому разі, коли зразки не піддавались хімічному травленню, подібні структури оптичним методом не виявлялись. Цей факт свідчить про те, що при низькому рівні інтенсивності опромінення дефектна структура утворилась у приповерхневому шарі.

На ділянках поверхні з високим рівнем лазерного опромінення , де зароджувались тріщини, лінійно-періодичні структури вказаного вище типу не виявлялись. Це вказує на важливу роль термічних напружень в утворенні періодичних структур, значення яких зменшились внаслідок релаксації. Порівняння експериментальних результатів і чисельних розрахунків приводять до висновку, що максимальні значення термічних напружень утворюються у зонах з максимальною температурою і саме на цих ділянках витравлюються канавки періодичного рельєфу. У віддаленій від екрану зоні на поверхні, де значення періоду дифракційної картини прямує до постійного значення, градієнт термічних напружень сягає величини ~85 МПа/мкм (рис.6).

Для отримання двовимірного розподілу інтенсивності на поверхні опромінення кристалів GaAs здійснювалось через непрозорий екран з прямокутним вирізом (рис.3). При цьому збільшувалась максимальна температура розігріву поверхні, а тому і градієнт термічних напружень. Окрім цього, градієнт термічних напружень став промодульованим у двох напрямках у площині поверхневого шару (рис.7). Під дією такого розподілу температури і термічних напружень у приповерхневому шарі монокристала GaAs утворилася відповідна дефектна структура (рис.8) з наведеним на рис.7 періодом розподілу. Знімок зроблений після хімічного травлення поверхні.

Утворення дефектів під дією лазерних імпульсів з

Дія лазерних імпульсів наносекундного випромінювання характеризується утворенням великих температурних градієнтів ~ 10⁵ °С/с, значних тисків при випаровуванні речовини, травленні поверхні газовими потоками і т. ін. Приповерхневий шар для наносекундного діапазону тривалостей імпульсу 10 -30 нс прогрівається на глибину ~ 1 мкм. Інтервал можливих густин енергії опромінення для генерації лише точкових дефектів тут більш широкий, ніж у діапазоні мілісекундних опромінювань, оскільки верхня границя зростає практично до рівня .

У цьому розділі дифракційний розподіл інтенсивності на поверхні утворювався опроміненням через різнопрофільні дифракційні маски: напівплощини, екрани з прямокутним вирізом, клиноподібні і квадратні отвори. Аналіз структури поверхні опромінених кристалів проводився з використанням атомно-силової мікроскопії, яка дозволяє не тільки знімати профілограми поверхні, а й контролювати зміну її фазового складу. Опромінення імпульсом з густиною енергії ~160 мДж/см² призводить до деформування поверхні (рис.9, а) по закону дифракційного розподілу інтенсивності. Спостерігаються підйоми окремих ділянок внаслідок деформаційно-дифузійного перерозподілу і групування дефектів у приповерхневому шарі. Однак фазовий склад цього шару залишається незмінним, про що свідчить рівномірність фазового контрасту на рис.9, б.

Поступово зменшуючи рівень інтенсивності лазерного опромінення, було встановлено, що при густині енергії ~100 мДж /см² помітного підйому поверхні кристала GaAs не відбувається. Однак точкові дефекти у приповерхневому шарі не тільки утворюються, а й можуть групуватись і створювати атомні кластери, як це показано на рис.10 за допомогою РЕМ. Для дослідження складу кластерів знімались спектри рентгенівського характеристичного випромінювання з окремих ділянок поверхні. Кристали піддавались дії лазерного променя з дифракційною модуляцією інтенсивності, яка не перевищувала 160 мДж/см², тривалість імпульсів становила 10 нс. Було встановлено, що у зонах дифракційних максимумів і мінімумів на поверхні максимальна різниця у концентраціях компонент Ga і As складає 2,3 %, а тому у кластерах (темні плями на рис. 10) переважає вміст атомів Ga.

Обговорюється механізм формування періодичних лазерно-стимульованих структурних дефектів. Ефект перерозподілу компонент сполуки пояснюється утворенням дифузійних потоків лазерно-стимульованих точкових дефектів та наявністю різниці між енергіями активації атомів Ga та As у 1,5 рази. Деформаційно - дифузійний перерозподіл власних компонент сполуки GaAs при нерівномірному розподілі температури, деформації і концентрації носіїв заряду розраховувався за рівнянням

. (10)

У формулі - коефіцієнт дифузії дефектів, - час, - оператор Лапласа, - модуль об'ємного стискання, - параметр комірки, - швидкість генерації дефектів. Результати числового розв'язку рівняння (8) якісно узгоджувались з експериментальними даними.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена поставлена наукова задача: з'ясовані фізичні закономірності дефектоутворення у приповерхневих шарах монокристалів GaAs при дії низькорівневого лазерного опромінення з просторовою модуляцією інтенсивності.

Основні наукові і практичні результати роботи:

1. Розв'язано рівняння теплопровідності з урахуванням температурної залежності коефіцієнтів поглинання, теплоємності і теплопровідності монокристалів GaAs. Знайдені часові залежності розподілу температур, деформацій і термічних напружень у межах зони опромінення лазерним імпульсом з гауссовим розподілом інтенсивності.

2. З використанням обчислювальної техніки розраховані методами зон Френеля і інтегральних сум Кірхгофа розподіли інтенсивності лазерного випромінювання при дифракції від нестандартних екранів: прямокутного вирізу, від клина з різною висотою сторін і від квадратного отвору.

3. Вперше розрахований розподіл полів температур, деформацій і термічних напружень, утворених у монокристалах GaAs, дифракційно-модульованим лазерним опроміненням. Запропоновано два варіанти розв'язання задачі щодо розподілу термічних напружень - через визначення компонент тензора деформації, або з урахуванням орієнтаційної залежності модуля Юнга.

4. Теоретично обґрунтовано і експериментально визначено значення граничної густини енергії () опромінення лазерними імпульсами мілісекундної тривалості, нижче якої домінують процеси точкового дефектоутворення.

5. Вперше показана можливість створення періодичних дефектних структур у вигляді атомних кластерів методом дифракційно-модульованого імпульсного () лазерного опромінення низького рівня. Позиціювання таких структур задається законом модуляції інтенсивності лазерного випромінювання і таким чином вирішується задача їх адресного і періодичного розподілу.

6. Експериментально встановлена можливість створення періодичної структури у вигляді кластерів модульованим за інтенсивністю наноімпульсним () лазерним опроміненням. Методом рентгенівського спектрального аналізу встановлено, що кластери утворюються внаслідок перерозподілу власних компонент Ga і As сполуки GaAs.

7. Запропоновано фізичний механізм деформаційно-дифузійного перерозподілу атомів у періодичному температурно-силовому полі у приповерхневому шарі і виконані торетичні розрахунки концентрації компонент у модифікованому монокристалі GaAs, які узгоджуються з експериментальними даними.

8. Розроблені фізичні основи методу лазерно-контрольованого формування впорядкованих структур у приповерхневих шарах монокристалів GaAs дифракційно-модульованим лазерним опроміненням з низькою інтенсивністю.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Структурні зміни у приповерхневому шарі Ge під дією лазерного імпульсу / В.О. Надточій, М.М. Голоденко, А.З. Калімбет, Д.С. Москаль // Фіз. і хім. твердого тіла. - 2003. - Т.4, №3. - С.556 - 559.

2. Структурные изменения в зоне действия лазерного луча в монокристаллическом германии / В.А. Надточий, В.П. Алехин, Н.К. Нечволод, Н.Н. Голоденко, Д.С. Москаль // Физ. и хим. обраб. материалов. - 2003. - №4. - С.9 - 12.

3. Дислокації у приповерхневому шарі Ge, спричинені лазерним імпульсом / В.О. Надточій, М.К. Нечволод, М.М. Голоденко, Д.С. Москаль // Вісник Харківського університету, серія “Фізика”. - 2005. - № 601, вип. 8. - С.130 - 135.

4. Nadtochy V., Golodenko M., Moskal D. Investigation of dislocations in Ge single crystals by scanning electron beam // Functional Materials. - 2004. - V.11, № 1. - P.40 - 43.

5. Moskal D., Nadtochy V., Golodenko M. Formation of periodic structures in GaAs near-surface layers irradiated by laser pulse // Photoelectronics. - 2005. - V.14 - Р. 105-107.

6. Moskal D., Nadtochy V., Golodenko M. Periodic structure formation in GaAs near-surface layer by laser beam with diffraction modulated intensity // Functional Materials. - 2006. - V.13, №1. - P.100 - 103.

7. Москаль Д.С., Надточий В.А. Голоденко Н.Н. Анализ рельефа поверхности GaAs, сформированного воздействием дифракционно-модулированного лазерного излучения // Физика. Известия высших учебных заведений. - 2007. - Т.50, № 11. - С. 86-89. Стаття опублікована також у англомовній редакції: Moskal D.S., Nadtochy V.A. and Golodenko N.N. Analysis of the relief of the GaAs surface formed upon exposure to diffraction-modulated laser radiation // Russian study - Springer New York (USA), 2007. - Vol.50, №11.- P.1154-1157.

8. Moskal D.S., Fedorenko L.L., Yusupov M.M., Golodenko M.M. Periodic subsurface structures in GaAs formed by spatially modulated nanosecond pulse laser irradiation // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. - 2007.- Vol. 10, №3.- Р. 80-83.

9. Москаль Д.С., Надточій В.О., Голоденко М.М. Розрахунок термопружних полів у кристалах GaAs, спричинених дією лазерного променя з дифракційною просторовою модуляцією // Наука і молодь: Збірник наукових праць міжнародної наукової конференції «Політ - 2005». - Київ. - Національний авіаційний університет. - Вип. 5.- 2005. - С. 23-25.

10. Надточій В.О., Голоденко М.М., Москаль Д.С. Про фізичний механізм виникнення дислокацій у приповерхневих шарах Ge при малих інтенсивностях лазерного опромінювання мілісекундної тривалості // Збірник тез Всеукраїнської конференції студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “Еврика - 2003”. - Львів: Львівський національний університет ім. Івана Франка, 2003. - С. 136.

11. Москаль Д.С. Периодические приповерхностные структуры GaAs, созданные пространственно-модулированным наноимульсом лазерного излучения // Збірник матеріалів 10-го ювілейного міжнародного молодіжного форуму «Радіоелектроніка і молодь в ХХI ст.», 10-12 квітня 2006. - Харків: Харківський національний університет радіоелектроніки. - С. 136.

12. Надточий В.А., Голоденко Н.Н., Москаль Д.С. Исследование дислокаций сканирующим электронным пучком // Відкрита Всеукраїнська конференція молодих вчених та науковців “Сучасні питання матеріалознавства”. Тез. доп., 9 - 13 вересня 2003 р. - Харків: НТК “Інститут монокристалів”. - 2003. - С.95.

13. Москаль Д.С., Надточій В.О., Голоденко М.М. Розрахунок термопружних полів у кристалах GaAs, спричинених дією лазерного променя з дифракційною просторовою модуляцією // V Міжнародна наукова конференція “Політ - 2005”. Тез. доп., 12 - 13 квітня 2005 р. - Київ: Національний авіаційний університет. - 2005. - С.94.

14. Надточій В.О., Нечволод М.К., Москаль Д.С. Мікропластичність алмазоподібних кристалів // ХІ Міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок та наносистем, Тез. доп., 7-12 травня 2007 р. - Івано-Франківськ: Прикарпатський національний університет. - Т.2. - С. 122-123.

15. Москаль Д.С., Надточий В.А., Голоденко Н.Н. Анализ рельефа поверхности GaAs, сформированного под воздействием дифракционно-модулированного лазерного излучения // Сборник тезисов 45-й Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», 25 -28 сентября 2006 г. - Белгород: Белгородский государственный университет. - 2006. - С. 117-118.

16. Москаль Д.С. Распределение термоупругих напряжений по облучаемой лазерным импульсом поверхности монокристаллов GaAs // Международная конференция «Мезоскопичекие явления в твердых телах», Тез. докл., 26 февраля - 1 марта 2007 г. - Донецк: Донецкий физико-технический институт ім. А.А. Галкіна НАН України. - 2007. - С. 50.

17. Москаль Д.С., Надточій В.О., Фєдоренко Л.Л., Юсупов М.М., Дифузійний механізм формування кластерів у GaAs під дією просторово-періодичного лазерного опромінення // Конференція молодих вчених з фізики напівпровідників «Лашкарьовські читання - 2008», Тез. доп. 21 - 23 квітня 2008 р. - Київ: Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України. - 2008. - С. 40-41.

АНОТАЦІЯ

Москаль Д.С. Дефектоутворення у приповерхневих шарах монокристалів GaAs під впливом низькорівневого просторово-модульованого лазерного опромінення. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, Україна, 2008.

Дисертацію присвячено встановленню фізичних закономірностей утворення дефектів у приповерхневих шарах монокристалів GaAs під дією імпульсного лазерного опромінення з низьким рівнем інтенсивності. Досліджено вплив лазерного опромінення на активацію процесів дефектоутворення в кристалі при гауссовому або дифракційно-модульованому розподілі інтенсивності. Числовими методами визначено розподіл інтенсивності лазерного опромінення, полів температур, деформацій і термонапружень у приповерхневих шарах опромінених монокристалів GaAs. Проведені експерименти з використанням лазерних імпульсів мілісекундної тривалості з гауссовим розподілом інтенсивності і встановлені порогові значення густини енергії, при яких активуються різні механізми модифікації поверхні: плавлення, дислокаційної пластичності, утворення точкових дефектів. Виконані експерименти з опромінення монокристалів GaAs лазерними імпульсами мілі- і наносекундної тривалості з густиною енергії меншою від порогу пластичності та з дифракційно-модульованою інтенсивністю. Методами оптичної, електронної і атомно-силової мікроскопії доведена можливість створення періодичних дефектних структур у вигляді атомних кластерів за допомогою дифракційно-модульованого імпульсного лазерного опромінення низького рівня. Позиціювання таких структур задається законом просторової модуляції інтенсивності лазерного опромінення і таким чином розв'язується задача їх адресного і періодичного розподілу. Отримані результати сприяють розвиткові нового підходу до створення напівпровідникових приладів, який ґрунтується на використанні особливих властивостей кластерних структур.

Ключові слова: арсенід галію, монокристал, лазер, дифракція, точкові дефекти, кластер.

АННОТАЦИЯ

Москаль Д.С. Дефектообразование в приповерхностных слоях монокристаллов GaAs под действием низкоуровневого пространственно-модулированного лазерного облучения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Харьков, 2008.

Диссертационная работа посвящена установлению физических закономерностей образования дефектов в приповерхностных слоях монокристаллов GaAs под действием импульсного лазерного облучения с низким уровнем интенсивности, при котором не происходит плавления, трещинообразования и дислокационного скольжения. Исследовано влияние лазерного облучения на активацию процессов дефектообразования в кристалле при облучении лазерным импульсом с гауссовым и дифракционным распределением интенсивности. Численными методами рассчитано распределение интенсивности лазерного облучения, полей температур, деформаций и термических напряжений в приповерхностных слоях облученных монокристаллов GaAs. В расчетах берется во внимание изменение интенсивности облучения в течение действия лазерных импульсов милли- и наносекундной длительности. При решении уравнения теплопроводности по неявной схеме счета учтены температурные зависимости физических свойств монокристалла GaAs: коэффициента поглощения света, теплоемкости, теплопроводности, теплового расширения и компонент тензора податливости. Предложены два варианта решения задачи о термонапряжениях - через определение компонент тензора деформаций или с учетом ориентационной зависимости модуля Юнга. Указано, что для предплавильной температуры нагрева наибольшие напряжения создаются в плоскости (111) в направлениях <111>. Представлены алгоритмы расчета дифракционного распределения интенсивности лазерного излучения методом зон Френеля при дифракции от полуплоскости, прямоугольного выреза и с помощью интегральных сумм Кирхгофа для экрана с произвольным профилем. Представлены результаты численных расчетов полей температур, деформаций и термических напряжений, действующих в приповерхностном слое GaAs при дифракционно-модулированном лазерном облучении монокристалла.

На основании электронно-деформационно-тепловой (ЭДТ) модели дефектообразования рассмотрена возможность лазерно-контролируемого создания поверхностных полупроводниковых структур. Под воздействием дифракционно-модулированного лазерного облучения на поверхности GaAs создается латеральное распределение полей температур, деформаций, электронного возбуждения, и, следовательно, инициируется соответствующее распределение лазерно-стимулированных точечных дефектов. Представлены результаты численных расчетов с привлечением ЭДТ-теории концентрации точечных дефектов и графики их распределения в приповерхностном слое монокристалла GaAs, облученного лазерными импульсами милли- и наносекундной длительности.

Экспериментально, с помощью оптической микроскопии получены снимки структуры поверхности GaAs, облученной лазерным импульсом миллисекундной длительности (ф_р = 1 мс, л = 694 нм) с гауссовым распределением интенсивности. В пределах лазерного пятна выявлены три характерные области: с трещинами, дислокациями скольжения и преимущественно с точечными дефектами. Установлены критические значения плотности энергии облучения, разграничивающие различные механизмы структурной модификации поверхности монокристалла GaAs: плавления (W_p), дислокационной пластичности (W_p) и образования точечных дефектов (W_p).

Получены оптические снимки поверхности GaAs, облученной лазерными импульсами миллисекундной длительности с плотностью энергии W<W_b при дифракции от полуплоскости и прямоугольного выреза. Избирательным химическим травлением облученной поверхности GaAs выявлены периодические дефектные образования линейного и латерально-периодического островкового типа, форма и положение которых соответствовала закону дифракционного распределения интенсивности от указанных выше экранов. Указывается, что основной причиной в процессе формирования периодических структур в приповерхностном слое GaAs является действие градиентов механических напряжений.

Исследована возможность структурной модификации тонких приповерхностных слоев GaAs лазерным облучением наносекундной длительности (ф_р = 10 нс, л = 540 нм) с дифракционным распределением интенсивности. Показано, что группирование дефектов в приповерхностном слое способствует созданию микросмещений поверхности в виде бугорков, распределенных в соответствии с задаваемым законом модуляции интенсивности излучения. При низкоуровневом облучении (W<100 мДж/см²) изменения рельефа поверхности АСМ-измерениями не регистрировались, но в приповерхностном слое электронной микроскопией выявлялись кластерные структуры. Образование таких структур не связано с неконгруэнтным испарением отдельных компонент GaAs, так как температура разогрева поверхности при такой энергии облучения была сравнительно низкой (~400 °С).

Предложен механизм формирования кластерных структур как результат диффузионно-деформационного перераспределения собственных точечных дефектов GaAs под воздействием дифракционно-модулированного лазерного облучения. Выполнены соответствующие теоретические расчеты концентрации компонент в облученном слое GaAs, которые качественно согласуются с экспериментальными данными. Полученные результаты способствуют развитию нового подхода в создании полупроводниковых приборов, основанного на использовании особых свойств кластерных структур.

Ключевые слова: арсенид галлия, монокристалл, лазер, дифракция, точечные дефекты, кластер.

SUMMARY

Moskal D.S. Defect formation in subsurface layers of GaAs single crystals influenced with low-level spatially-modulated laser irradiation. - Manuscript.

Thesis applied for Ph. D. in Physics and Mathematics on speciality 01.04.07 - solid state physics. - Kharkov National Karazin University, Kharkov, 2008.

The thesis is devoted to establishment of physical regularities in defect formation in subsurface layers of GaAs single crystals influenced with low intensity impulse laser irradiation. Influence of the impulse laser irradiation with Gaussian or the diffraction intensity distribution on the activation of defect formation processes in single crystals is investigated. Distribution of the laser irradiation intensity, fields of temperatures, deformations and thermo-strains in subsurface layers of GaAs single crystals are computed by numerical methods. In experiments with millisecond laser impulses and Gaussian intensity distribution the threshold values of energy density for various mechanisms of modification of the single crystal surface are found: for melting, for dislocation plasticity, for point defect formation. Experiments on irradiation of GaAs single crystal with milli- and nanosecond laser impulses with energy density lesser than threshold of dislocation plasticity and diffraction-modulated energy density are carried out. A possibility of creating periodic defect structures in the form of atom clusters using low level laser impulses with diffraction-modulated intensity is shown by the methods of optical, electronic and atom-force microscopy. Positioning of such structures is set by the law of spatial modulation of intensity of laser irradiation and thus the problem of their address and periodic allocation is solved. The obtained results promote development of the new approach in making semiconductor elements, based on using of special properties of cluster structures.

Key words: gallium arsenide, single crystal, laser, diffraction, point defects, cluster.

Размещено на Allbest.ru

...