НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

імені В.Є. Лашкарьова

Смірнов Олексій Борисович

УДК 621. 315. 592;

534. 222.1; 548. 4

ПРУЖНІ ДЕФОРМАЦІЇ ПРИ РЕЛАКСАЦІЇ ФОТОТЕРМІЧНОГО ЗБУДЖЕННЯ В КРИСТАЛАХ З РІЗНИМ СТУПЕНЕМ П’ЄЗОЕЛЕКТРИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ

01.04.07 - фізика твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ - 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова, Національна Академія наук України, м. Київ

Науковий керівник: | чл.-к. НАН України

доктор фізико-математичних наук, професор

Сизов Федір Федорович

Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України,

завідувач відділом

Офіційні опоненти: | доктор фізико-математичних наук, професор

Данильченко Борис Олександрович,

Інститут фізики НАН України,

головний науковий співробітник

завідувач відділом

доктор фізико-математичних наук, професор

Лашкарьов Георгій Вадимович ,

Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України

завідувач відділом

Провідна установа: |

Київський національний університет імені Тараса Шевченка, фізичний факультет, кафедра загальної фізики, м. Київ

Захист відбудеться “18” лютого 2005 р. о 1415 на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.199.01 в Інституті фізики напівпровідників

ім. В.Є. Лашкарьова НАН України за адресою:

03028, Київ - 28, проспект Науки, 45

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України (03028, Київ - 28, проспект Науки, 45).

Автореферат розісланий “18” січня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат фізико-математичних наук Охріменко О.Б.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Обробка твердого тіла, зокрема напівпровідникових кристалів, короткими імпульсами лазерного випромінювання (ЛВ) з можливістю дискретного вибору характеристик фотонного потоку на сьогодні є важливою компонентою сучасної науки матеріалів та технологій. Лазер є засобом, який вводить речовину в досить високий стан нерівноважності, при цьому, внаслідок термалізації початкового енергетичного розподілу та генерації надлишкового тиску та температури, відбувається швидка зміна станів та параметрів кристалічної системи, що є причиною таких ефектів, як фазові перетворення, виникнення упорядкованих, схильних до самоорганізації нанорозмірних структур, нетермічне плавлення та перекристалізація, допорогова лазерно-індукована трансформація у системі точкових дефектів матеріалу, що опромінюється, тощо. Проте, існування зв’язку та, певною мірою, навіть протиріччя між мірою дії та "біографією" напівпровідника призводить до того, що під час лазерної модифікації поряд із запланованими мають місце непередбачувані зміни фізичних властивостей матеріалу в області безпосередньої дії лазерної обробки та на значних відстанях від неї. Отже, актуальною стає задача випереджаючої оцінки дієвих чинників, що супроводжують поглинання енергії імпульсу оптичного квантового генератора (ОКГ) при опроміненні напівпровідників.

Одним з чинників дії імпульсного лазерного випромінювання (ІЛВ) на монокристал при умові власного поглинання є деформації, що формують збурення, які при певних умовах мають характер ультразвукових (УЗ) акустичних хвиль релеївського типу і які поширюються на значні, до 1000 мкм, відстані від місця їх генерації та можуть бути причиною ефекту лазерної "дальнодії".

Все це визначає актуальність досліджень у зазначеному напрямку та обумовлює вибір теми дисертаційної роботи, а саме - вивчення пружних деформацій, які виникають внаслідок релаксації фото-термічних напружень при поглинанні імпульсів оптичної енергії квантового генератора напівпровідниковим кристалом.

Зв`язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася в рамках наукових програм ІФН ім. В.Є.Лашкарьова НАНУ:

1. "Фізикотехнологичні дослідження напівпровідникових матеріалів та систем інфрачервоної мікроелектроніки" (№ 0103U000363 Державної реєстрації).

2. "Розробка та виготовлення охолоджуваного до 77 К багатоелементного фотоприймального пристрою для роботи в спектральному діапазоні (8 12.5 мкм) на основі сполуки "Кадмій-ртуть-телур"" (№ 0101U004778 Державної реєстрації).

3. "Комплексні дослідження електронних явищ в матеріалах та структурах інфрачервоної фотоелектроніки " (№ 0102U001678 Державної реєстрації)

Мета роботи полягає в дослідженні пружних деформацій, що виникають в наслідок релаксації фототермічного збудження в монокристалах при опроміненні імпульсами ОКГ на рубіні наносекундної тривалості за умови реалізації фундаментального поглинання оптичної енергії та з’ясуванні їх ролі в ефекті лазерної "дальнодії". Для досягнення поставленої мети було необхідно на модельному ряді монокристалів (LiNbO3, GaAs, СdTe та CdTe:Mn), що відображає зменшення п'єзоелектричних властивостей (п’єзоелектричних констант), та твердих розчинах CdMnTe, CdHgTe вирішити такі задачі:

- в рамках моделі "теплового генератора" дослідити особливості термопружного механізму лазерної генерації акустичних імпульсів на прикладі п'єзодіелектричного монокристалу LiNbO3;

- визначити ефективність, необхідні та достатні умови та обмеження термопружного та електронно-деформаційного механізму лазерної генерації акустичних імпульсів для напівпровідникових монокристалів GaAs та CdTe;

- дослідити вплив УЗ хвиль, збуджених п’єзоелектричним перетворювачем, на електрофізичні характеристики напівпровідникових структур CdxHg1-xTe/CdZnTe та CdxHg1-xTe/CdZnTe/GaAs (x =  .24), та вивчити можливість фототермічного збудження напівпровідника в наслідок поглинання енергії високочастотної, знакозмінної деформації;

- в рамках електронно-деформаційно-теплової (ЕДТ) моделі дефектоутворення дослідити дію імпульсного лазерного випромінювання на фотоелектричні властивості та систему структурних дефектів CdTe:Mn та твердих розчинів CdхMn1-хTe (х = 0.08 0.1) як в області опромінення, так і в контрольній області цих матеріалів.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети досліджувані напівпровідникові матеріали опромінювалися моноімпульсами ОКГ на рубіні ( = 694 нм, Л 20 нс), вимірювалися спектральні залежності стаціонарної фотопровідності (ФП), вивчалася кінетика ФП та люкс-амперні характеристики (ЛАХ) при високому рівні збудження зразків за нормальних умов. Виявлення структури системи лінійних дефектів велося за методами селективного травлення та оптичної мікроскопії.

Досліджено амплітудні залежності зареєстрованих акустоелектричних сигналів у п’єзоелектриках LiNbO3 та GaAs від інтенсивності ІЛВ та від відстані розповсюдження.

Проведено математичне моделювання 2D-профілів акустичного релеївського збурення в "далекій" (контрольній) хвильовій області, спеціально захищеній від опромінення, та 3D-профілів фототермічних деформацій в місці безпосередньої взаємодії ІЛВ для монокристалів GaAs та CdTe. Для дискримінації механізмів лазерної генерації релеївських УЗ хвиль в напівпровіднику та порівняння з GaAs та CdTe виконано моделювання 3D-профілів для Si.

Дослідження впливу УЗ коливань на електрофізичні характеристики структур CdxHg1-xTe/CdZnTe та CdxHg1-xTe/CdZnTe/GaAs(x = 0.23 0.24) проводилося із застосуванням п’єзоперетворювача на LiNbО3 (Y- зрізу) на частоті fУЗ = 7.5 МГЦ з інтенсивністю WУЗ до 0.5 Вт/м2. Рівноважна концентрація носіїв заряду оцінювалася експериментально за методом Ван-дер-Пау.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. У застосуванні до п’єзоелектриків LiNbO3 та GaAs доведено, що при умові поверхневого поглинання енергії моноімпульсів ОКГ релаксація термозбудження в фокальній області призводить до генерації акустичних імпульсів з ефективністю перетворення оптичної енергії в акустичну (10-7 10-6). Для GaAs та CdTe визначено величину зсуву поверхні (до 5 нм) та ефективного тиску (2 3 МПа) в "далекій" області кристалу, спричинених розповсюдженням релеївських хвиль.

2. Виявлено експериментально ефект лазерної "дальнодії" для кристалів СdTe:Mn та Сd1-xMnxTe (х = 0.08 0.1) та показано, що відповідальним за нього є оптично індуковані пружні хвилі, що свідчить про істотну роль нетеплових механізмів впливу ОКГ на напівпровідник і повинно враховуватися при вирішенні задач, які базуються на положенні про локальність дії когерентного світла.

3. Визначено для CdTe:Mn величину енергії активації локального центру 0.5 еВ, який утворюється при імпульсному лазерному збудженні кристалу. В рамках ЕДТ моделі показаний нетермічний характер дефектоутворення в місці лазерного опромінення.

4. Доведено, що акустичні хвилі безпосередньо збуджені в напівпровідникових гетероструктурах CdxHg1-xTe/CdZnTe та CdxHg1-xTe/CdZnTe/GaAs (x = 0.23 0.24) п’єзоелектричним перетворювачем на LiNbO3 призводять до суттєвої зміни концентрації носіїв аж до зміни типу провідності.

5. Встановлено на прикладі кристалічного CdxHg1-xTe (х 0.2) можливість зворотнього фототермічного збудження напівпровідникового кристала внаслідок поглинання енергії акустичних хвиль УЗ діапазону та запропоновано модель внутрішнього джерела ІЧ випромінювання, що виникає поблизу протяжних дефектів. Проведено якісний та кількісний аналіз умов його роботи.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Запропоновано лабораторну методику лазерного збудження та реєстрації УЗ імпульсів із застосуванням методу теплового генератора імпульсів (ТГІ) та напівпровідникового оптоакустичного генератора на п’єзоелектриках LiNbO3 та GaAs.

2. Встановлено необхідні та достатні умови фототермічного збудження монокристалів GaAs та CdTe з метою оптимізації технологічних режимів імпульсних лазерних обробок фоторезистивих матеріалів і приладних структур на їх основі.

3. Отримані в дисертаційній роботі результати можуть бути використані при розробці технологічних режимів обробок гетероструктур на основі CdxHg1-xTe.

4. Показано, що результати з вивчення ефектів метастабільного дефектоперетворення в околі дислокацій та областей підвищеної дефектності в монокристалах CdTe, СdTe:Mn та Сd1-xMnxTe можуть бути використані при створенні захисних покриттів для ІЧ - приладів.

Особистий науковий внесок здобувача. Участь здобувача в отриманні представлених у роботі наукових результатів полягала в участі у постановці задач [1,2] та визначенні методів їх вирішення [3,5], виборі об`єктів дослідження [8,15], постановці експериментальних методик [6,9,10] та проведенні експерименту [4,6,8], в обробці та аналізі одержаних результатів [4,6,9,10], створенні моделей фізичних процесів [6,7,13,15].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи апробовані на міжнародних наукових конференціях: 7th International Workshop BEAMS-2003 (Lille, France, 2003); 20th E-MRS Spring Meeting (Strasbourg, France, 2003); IX Міжнародна Конференція з Фізики та Технології Тонких Плівок МКФТТП-IX (Івано-Франківськ, Україна, 2003); 4th International Young Scientists Conference Problems of Optics and High Technology Material Science SPO 2003 (Kiev, Ukraine, 2003); II Українська науковаї конференція з фізики напівпровідників (Чернівці, Україна, 2004); 21th E-MRS Spring Meeting (Strasbourg, France, 2004).

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані в 15 працях, з яких 4 - статті у фахових наукових журналах, 2 - доповідей, надрукованих у матеріалах конференцій, 9 - у збірниках наукових тез.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'ятьох розділів, загальних висновків та списку використаних джерел. Робота викладена на 140 сторінках, включає 36 рисунків, 16 таблиць, списку літератури, що містить 280 джерел, розташований на 23 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи та її зв’язок з науковими програмами, планами і темами досліджень, які виконуються в ІФН ім. В.Є.Лашкарьова НАНУ, сформульовано мету та задачі дослідження, наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, наведено відомості про апробацію роботи, кількість публікацій та особистий внесок здобувача.

У першому розділі подано огляд літературних джерел, в якому проаналізовано основні закономірності впливу ЛВ на напівпровідникові монокристали з області фундаментального поглинання, дієві чинники та їх обґрунтування в рамках ЕДТ моделі точкового дефектоутворення. Подано також огляд відомих ефектів впливу лазерних обробок на систему дефектів напівпровідників групи А2В6, зокрема, на електрофізичні, фотоелектричні та структурні параметри монокристалів CdTe, CdTe:Mn та Сd1-xMnxTe (х = 0.08 0.1). Обговорюється імпульсна генерація ультразвуку при взаємодії електромагнітних хвиль з напівпровідником, зокрема, лазерна оптоакустика. Наприкінці розділу визначено коло невирішених питань, мета й завдання даної роботи.

У другому розділі викладено загальні методичні аспекти дисертаційного дослідження, наведено робочі блок-схеми досліджень. Коротко надано інформацію з та дослідження протяжних дефектів, вимірювання стаціонарної фотопровідності, кінетики ФП та люкс-амперних характеристик, підготовки зразків LiNbO3, GaAs, CdTe:Mn та Сd1-xMnxTe до опромінення, гетероструктур CdxHg1-xTe/CdZnTe та CdxHg1-xTe/CdZnTe/GaAs (x = 0.23 0.24) до УЗ навантаження та вимірювань за методом Ван-дер-Пау.

Обґрунтовано спосіб безпосередньої реєстрації оптоакустичних сигналів при лазерній генерації ультразвуку в монокристалах з п'єзоелектричними властивостями.

Застосовувався режим очікування з синхрозапуском від ФК-19, генератор затриманих імпульсів Г1-54 та каскодний підсилювач для підвищення рівня чутливості схеми реєстрації. У вигляді таблиць надано фізичні характеристики LiNbО3, GaAs, CdTe та твердих розчинів CdхMn1-хTe. Подано хід моделювання методом ТГІ у випадку діелектрика та напівпровідника.

У третьому розділі наведено результати експериментального спостереження впливу імпульсного випромінювання ОКГ на рубіні в режимі до початку плавлення на електричні та фотоелектричні властивості монокристалів CdTe:Mn та напівмагнитних твердих розчинів Cd1-хMnхTe (x 8 10%), виявлено та проаналізовано ефект лазерної "дальнодії" та можливі механізми оптично стимульованого дефектоутворення, як для опроміненої, так і для контрольної області напівпровідника.

Дослідження спектральних залежностей ФП показало значне зростання фоточутливості та темнового опору монокристалів CdTe:Mn та Cd1-хMnхTe (x 8 10%) після опромінення. Встановлено, що при перевищенні потужності ІЛВ 4 МВт/см2 подібні зміни відбуваються також у контрольній області зразків, тобто спостерігається ефект лазерної "дальнодії". Величина відносного росту ФП та опору була набагато більшою ніж для нелегованого CdTe.

Локальні зміни властивостей монокристалів пов’язувалися з перетворенням у системі точкових та протяжних дефектів, а саме, із збідненням атомами Cd приповерхневого шару опромінених зразків, тобто із зростанням концентрації акцепторів NA - вакансій кадмію (VCd) при поглинанні енергії ІЛВ. З іншого боку, значення лазерно-стимульованих локальних термонапружень в приповерхневому шарі (   кбар) на порядок вищі за границю пружності цих матеріалів ( 0.2 0.5 кбар), тому вірогідне збільшення густини дислокацій. Стосовно ефекту підвищення фоточутливості, який складав в монокристалах CdTe:Mn та Cd1-хMnхTe один-два порядки, було зроблено припущення, що концентрація r-центрів (VCd) зростає як за рахунок виходу Cd з вузлів та випаровування, так і за рахунок витиснення з вузлів Cd атомів Mn, де вони, як відомо, статистично розподіляються від час росту, на користь чого говорить виявлений факт зміни складу твердих розчинів Cd1-хMnхTe (x 8 10 %) в бік зменшення х на (1 2)%.

Згідно ЕДТ моделі точкового дефектоутворення при лазерній дії на монокристал відбувається прискорення генерації точкових дефектів за рахунок розігріву T, деформації та електронного збудження Eeв:

(1)

де n - концентрація введених ІЛО точкових дефектів, Eа - вихідна енергія утворенння дефекту, а - потенціал деформації. З аналізу гасіння спектрів ФП при ІЛО зразків CdTe:Mn, було визначено ефективну енергію дефектоутворення DЕеф = Eа - Eeв -а.

Для CdTe:Mn будувалася залежність швидкості поверхневої рекомбінації S від числа імпульсів К до досягнення стаціонарного значення Sст (наприклад К = 6 імпульсів при W = 4 МВт/см2). За різницею DS = (Sст - S), що пропорційна концентрації лазерно-индукованих центрів поверхневої рекомбінації N, на Рис. 1 побудовано залежність lnS(W) (крива 1) та розраховані за виразом (1) залежності lnN(W) для різних значень Ееф (криві 2, 3, 4). Найкраще співпадання має місце при Ееф 0.5 еВ.

Оцінка значень температурного поля Th та індукованих термонапружень макс в області фокусування ЛВ (a0 4 мм) при дії 20 нс імпульсу з енергією 0.01 I 0.12 Дж/см2 в рамках моделі імпульсного нагрівання показали для CdTe:Mn (Таблиця № 1), що енергетична дія з густиною, більшою за 0.02 Дж/см2 ініціює макс, більші за критичні (для CdTe кр 37.28 МПа). Отже, стає можливою генерація протяжних дефектів за механізмом Франка - Ріда.

Підсилення лазерною дією потоку вакансій J, концентрація яких за час Л може досягати значень 1026м-3, також приводить до зростання густини дислокацій NDIS, внаслідок поглинання ядром дислокації точкового дефекту на відстанях rk » (1 + m)GDWa -[DЕеф5p(1 - m)]-1, де а - міжатомна відстань; DW » -(0. 3 ё 0.6)а3 - дилатаційний об'єм. Приріст ядра дислокації R за час tЛ за таким механізмом визначений за виразом:

(2)

та складає для нашого випадку DR = 3Ч10-8 м. Сумарний потік вакансій J = J1 + J2 + J3 складається з інтенсивностей потоків: J1 – вглиб монокристалу, який визначається звичайною дифузією; J2 – до поверхні, обумовленому градієнтом концентрації вакансій, внаслідок деформації монокристалу; J3 - до поверхні, за рахунок градієнту температури. Співставлення J1, J2, J3 в усьому діапазоні застосованих в роботі W показало, що потік з результуючою інтенсивністю J = f(W) детермінується звичайною дифузією J1 із шару, що піддається променевої модифікації, вглибину CdTe:Mn та складає величину J » 7.3Ч1049 кгЧс/м2.

При аналізі механізмів виявленого ефекту лазерної "дальнодії", виходячи з умов експерименту та режимів ІЛО, було виключено з розгляду явища фотоефекту та ударної хвилі. Оцінка для CdTe:Mn для області променевої модифікації a0 характерних довжин дифузії ННЗ lННЗ ~ (DеЛ)1/2 = 4Ч10-6 м та тепла lТ ~ (cЛ)1/2 = 3.7Ч10-7 м за час Л показала локалізацію оптичного нагрівання та ННЗ в області з радіусом 4 мкм, що визначає активність цих дієвих факторів лазерного випромінювання тільки для локальної області монокристалу.

Визначена також можливість дифузії VCd від границь фокусування a0 у "далеку" - захищену область r монокристалу CdTe:Mn для всього діапазону W. Довжина дифузії VCd визначалася за часи Л (20 нс) та АК » r/cR - пробігу звуковою хвилею відстані r 4 мм (~ 2 10-6 с) і складає 0.1 мкм та 1 мкм відповідно. Тобто міграція VCd із області a0 не може бути в CdTe:Mn причиною виявленого у роботі ефекту лазерної "дальнодії".

Наприкінці розділу робиться висновок, що ефект лазерної "дальнодії" в досліджуваних матеріалах виникає за рахунок релаксації локального фототермічного збудження монокристалу, що ініціює хвилі Релея, які здатні переносити енергію ЕА на відстані r a0. Область локалізації такої хвилі у глибину складає hR » 4Ч10-3 м (CdTe:Mn), максимальні на відстані r значення зсувів поверхні uZ » TW0/cрr0 та енергії EА = 2pr0cR2ruz2 (10-8 ё 10-9) м та (10-6 ё 10-4) еВ/ат відповідно при тиску р у межах (2 3) МПа (Таблиця № 1).

Взаємодія УЗ релеївської хвилі з такими параметрами в області "дальнодії" з вихідними точковими дефектами монокристалу відбувається шляхом збудження їх метастабільних скупчень, що здатне ініціювати структурну перебудову областей з підвищеною концентрацією дефектів та супроводжується явищами гетерування та анігіляції дефектів. Найбільш інтенсивно, на нашу думку, ці явища мають протікати поблизу зовнішньої границі, де існують максимальні градієнти механічних напружень.

Таким чином, трансформація домішково-дефектного складу напівпровідникового монокристалу при сильному фотозбуджені може призводити до зміни концентрації точкових центрів як в місці локальної дії світла ОКГ так і в "дальній" області, а отже спричиняти зміну його фізичних властивостей.

У четвертому розділі досліджено ефективність термооптичної генерації релеївських хвиль в монокристалах LiNbO3, GaAs та CdTe за умови поверхневого поглинання наносекундних імпульсів ОКГ на рубіновому склі. Для збудження та реєстрації акустичних імпульсів був застосований метод ТГІ. П’єзоелектричні властивості LiNbO3 та GaAs дозволяли детектувати акустичний відгук безпосередньо в середовищі, в якому він збуджується, що виключало втрати та викривлення, що притаманні традиційній схемі датчик - приймач. Опромінювалися пластини LiNbO3 Y-зрізу у напрямку Z товщиною 1.5 мм, закриті в місці опромінення плівкою (Cu 100 мкм) з показником відбиття R694 нм = 95 %. Решта 5 % енергії ІЛВ поглиналася та перетворювалася на тепло.

Довжина дифузії тепла в мідь за 20 нс не перевищувала 100 мкм, отже в LiNbO3 потрапляли тільки імпульси деформації. Було зареєстровано поверхневий (на відстані r 4 мм) та об’ємний сигнали, типові з яких приведені на Рис. 2 а, б. Форма огинаючої, що повторює лазерний імпульс, та хаотичність заднього фронту відносять до характерних ознак лазерно індукованих звукових хвиль.

Додатковим підтвердженням акустичної природи зареєстрованих сигналів є лінійна залежність інтенсивності відгуку А від інтенсивності ІЛВ (Рис. 3, крива 1) та спадання А обернено пропорційно до r1/2 (Рис. 3, крива 2). Аналогічні залежності отримані для GaAs. Зсув поверхні LiNbO3 (Рис. 2 б, крива 4), розрахований в рамках моделі ТГІ, повторює зареєстрований п'єзоелектричний сигнал, про-індукований акустичною хвилею в LiNbO3. Аналіз форми об’ємного сигналу дозволяє припустити багаторазове відбивання та можливість утворення квазістоячих хвиль, частоти яких співпадають з власними частотами коливань зразка (Рис.2 а). При малих потужностях ІЛВ як об’ємний, так і поверхневий акустичні імпульси мають невиразну форму (криві 1, 2 на рис. 2 б). Тривалість поверхневого сигналу визначається часом проходження акустичною хвилею фокальної області a0, що й спостерігалося експериментально.

Зроблено кількісну оцінку ефективності ТМ генерації релеївського звуку для кристалічного GaAs та CdTe. Для обох матеріалів виконується умова "вільної границі" (повітря - напівпровідник), оскільки акустичний опір повітря (400 кг/см2) набагато менший за їх акустичний опір (Таблиця № 2). При потужності ЛВ W 6 МВт/см2 об’ємної густини тепла, що виділяється в конденсованому середовищі (1.6109 Дж/м3 для GaAs та 2109 Дж/м3 для CdTe) недостатньо для початку інтенсивного випаровування (Таблиця № 2). Ефективність конвертування оптичної енергії в акустичну визначено за виразом:

(3)

де F(cRЛ) - функція лазерного джерела УЗ, що пов’язує спектр релеївської хвилі з часовим спектром інтенсивності ЛВ. Виявлено для GaAs та CdTe, що acRtЛ >> 1 (Таблиця № 2), тобто амплітуда УЗ імпульсу визначається не потоком оптичної енергії за 20 нс, а інтенсивністю ІЛВ. Виявлено, що профіль модуля F(acRtЛ ) має немонотонний характер з максимумом при 0.3 нс як для GaAs, так і для CdTe. Величини F(acRtЛ ) для GaAs і CdTe близькі (~ 8Ч10-3), а ефективність генерації УЗ в GaAs значно більша, ніж в CdTe (Таблиця № 2).

Наприкінці, у розділі було зроблено оцінку величини зсувів поверхні u(r, t) монокристалів GaAs і CdTe у "далекій" хвильовій області r (r >> a0):

(4)

де k = 2 /ак - хвильовий вектор УЗ хвилі Релея, ак – ії довжина, - функція форми індукованого сигналу. На Рис. 4 представлений профіль зсуву поверхні у "далекій" r області монокристалів GaAs і CdTe, розрахований за виразом (4). Амплітуда зсуву u на відстані r складає 5 нм, тиск - p = 2 3 МПа. Виходячи з того, що взаємодія пружних хвиль з p > 6104 Па із "біографічними" дефектами монокристалу призводить до структурної перебудови областей з підвищеною дефектністю, встановлено, по-перше, що лазерно індуковані релеївські імпульси переносять достатньо енергії для активації дефектоперетворення в області монокристалу, яка захищена від опромінення. По-друге, ефективність теплового механізму збудження звуку в напівпровідниковому монокристалі мала, проте вона може бути підвищена більш ніж на порядок шляхом зменшення tЛ до 0.3 нс, або за рахунок збільшення поверхневого енерговнеску, шляхом фокусування ЛВ до величини a0 tЛcR = 410-5 м, що обмежується початком випаровування та визначає перехід від неруйнівного режиму генерації до абляційного.

У п'ятому розділі обговорюється ефективність та конкуренція теплового та електронно-деформаційного механізмів, а також визначено необхідну і достатню умови лазерної генерації хвиль Релея для кристалічного GaAs та CdTe. Представлені результати експериментального спостереження прояву фотоакустичного ефекту в п'єзоелектричному напівпровіднику GaAs.

Встановлено, що для CdTe ефективність обох механізмів майже однакова, а для GaAs домінує ТМ для всього діапазону застосованих потужностей ІЛВ. Розрахунки підтверджують більшу ефективність ІЛГ для GaAs ( 10-3 Вт/м).

Виходячи із нестаціонарної задачі термопружності, умов "вільної" границі, лінійного акустичного та адіабатичного наближень для GaAs проведено математичне моделювання 2D-профілів акустичного релеївського збурення в "далекій" (контрольній, r = 4 мм) хвильовій області, спеціально захищеній від опромінення. Форма розрахованого профілю максимально наближена до отриманого експериментально при врахуванні дифузії та рекомбінації ННЗ (Рис. 5 а, б). Характерні довжини дифузії та часи життя ННЗ, що формують релеївське джерело УЗ та визначають ефективність обговорюваних механізмів, визначені з дослідження ЛАХів та кінетики ФП при високому рівні збудження. цього матеріалу.

З метою дискримінації механізмів лазерної генерації релеївських УЗ хвиль в напівпровіднику виконано моделювання 3D-профілів фототермічних деформацій в місці безпосередньої взаємодії ІЛВ для Si (Рис. 6) та CdTe (Рис. 7).

Встановлено, що для п’єзонапівпровідникового кристалічного GaAs на частоті дослідження w ~ w2 = cR/a0 = 7.5 10 5 Гц п'єзомеханізм (ПМ) лазерного збудження релеївської хвилі буде домінуючим, якщо рівноважна концентрація носіїв n0 знаходиться в межах: 4 108 см-3<< n0 << 6 1013см-3, де нижня границя визначається виходячи із довжини екранування lЕ-1 і k = w/cR, а верхня – виконанням нерівності

L(wDа-1)0.5 і 1, де L » 3 1011 n0-1 (см). Для зразків GaAs, що були предметом дослідження, власна концентрація складала величину n0 1017 см-3.

Наприкінці розділу наведено результати дослідження безпосереднього впливу акустичних хвиль, збуджених п’єзоелектричним перетворювачем на LiNbO3, на електрофізичні характеристики напівпровідникових структур CdxHg1-xTe/CdZnTe та CdxHg1-xTe/CdZnTe/GaAs (x = 0.23 0.24), та показана можливість зворотнього фото-термічного збудження напівпровідника при поглинанні енергії акустичної хвилі прикладі CdxHg1-xTe (х 0.2).

Показано, що вплив акустичної хвилі, збудженої традиційним способом, з характеристиками (частотою 7.5 МГЦ та потужністю 0.5 Вт/м2), близькими до характеристик оптично-індукованої пружної хвилі, на складну напівпровідникову структуру носить активний характер. А саме, приводить до суттєвої зміни концентрації носіїв аж до зміни типу провідності (Рис. 8).

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Встановлено в рамках ЕДТ моделі, що внаслідок імпульсного лазерного опромінення напівпровідникових монокристалів відбувається зменшення енергії активації точкових дефектів порівняно з величиною енергії термоактивації, що підтверджує нетермічний характер дефектоутворення в місці лазерного опромінення.

2. На прикладі монокристалів LiNbO3, GaAs та CdTe показано, що при умові поверхневого поглинання енергії моноімпульсів ОКГ ( = 694 нм, Л 20 нс) релаксація термозбудження у фокальній області призводить до генерації акустичних імпульсів з ефективністю перетворення оптичної енергії в акустичну 10-7 10-6. Для GaAs та CdTe визначено величину зсуву поверхні (до 5 нм) та ефективного тиску (2 3 МПа) в далекій області кристалу, спричинених розповсюдженням релеївських хвиль.

3. Виявлено експериментально ефект лазерної "дальнодії" для кристалів СdTe:Mn та Сd1-xMnxTe (х = 0.08 0.1) та показано, що відповідальним за нього є оптично індуковані пружні хвилі, що свідчить про істотну роль нетеплових механізмів впливу ОКГ на напівпровідник і повинно враховуватися при вирішенні задач, які базуються на положенні про локальність дії когерентного світла.

4. Промодельовано 2D-профілі лазерностимульованих деформацій монокристалів LiNbO3, GaAs та CdTe в "далекій" хвильовій області та 3D-профілі деформацій для Si, GaAs та CdTe в області безпосередньої взаємодії ІЛВ з кристалом. Встановлено, що результати моделювання знаходяться у задовільній відповідності з експериментом.

5. Доведено, що акустичні хвилі безпосередньо збуджені в напівпровідникових гетероструктурах CdxHg1-xTe/CdZnTe та CdxHg1-xTe/CdZnTe/GaAs (x = 0.23 0.24) п’єзоелектричним перетворювачем на LiNbO3 призводять до суттєвої зміни концентрації носіїв аж до зміни типу провідності.

6. Встановлено на прикладі кристалічного CdxHg1-xTe (х 0.2) можливість зворотнього фототермічного збудження напівпровідникового кристала внаслідок поглинання енергії акустичних хвиль УЗ діапазону та запропоновано модель внутрішнього джерела ІЧ випромінювання, що виникає поблизу протяжних дефектів. Проведено якісний та кількісний аналіз умов його роботи.

7. Встановлено необхідні та достатні умови фототермічного збудження монокристалів GaAs та CdTe з метою оптимізації технологічних режимів імпульсних лазерних обробок фоторезистивих матеріалів і приладних структур на їх основі. Запропоновано лабораторну методику лазерного збудження та реєстрації УЗ імпульсів із застосуванням методу теплового генератора імпульсів.

СПИСОК ПРАЦЬ опублікованИХ ЗА ТЕМОЮ дисертації:

1. Савкіна Р.К., Смірнов О.Б. "Термооптичне збудження звуку при імпульсному опроміненні монокристалів" // УФЖ.-2003.-Т.48, № 10.-С.1081- 1085.

2. Savkina R.K, Smirnov A. B., Tetyorkin V.V., Krolevec N.M, "Ultrasonically stimulated temperature rise around dislocation: extended defect mapping and imaging" // EPJ Applied Physics.- 2004. – Vol.27.- P.375–377.

3. Savkina R.K, Smirnov A. B., "Sonic-stimulated temperature rising around dislocation" // Inst. Phys. Conf. Ser., - 2002. - N.174. - P.89-92.

4. F.F. Sizov, R.K. Savkina, Smirnov A. B. "Optically induced changes in the photoelectric properties of CdMnTe crystals" // Functional Materials.-2005.- Vol.12, N1.- P.44 – 48.

5. Савкіна Р.К., Смірнов О.Б., Юр’єв С.О. "Про кореляцію між акустично стимульованим відгуком та ступенем структурної досконалості твердих розчинів CdxHg1-xTe" // ФХТТ.-2004.-Т.5, №1.-С.44 – 48.

6. F.F. Sizov, R.K. Savkina, Smirnov A. B. "Electrical characteristics modification in Hg1-xCdxTe epilayers subjected to ultrasonic influence" // Proc. of ASDAM ’04.-2004. – P.279-282.

7. Savkina R.K., Smirnov A.B., "Sonic-stimulated temperature rising around dislocation", Proc. 29th International Symposium on Compound Semiconductors, Lausanne, Switzerland, - 2002- We-P-16.

8. Savkina R.K, Smirnov А.B. "Optically induced transformation in the point defect system of semimagnetic semiconductor" // in abstract book of 4th International Young Scientists Conference Problems of Optics and High Technology Material Science SPO – Kiev: Ukraine.- 2003 - С.187.

9. Smirnov A.B., Savkina R.K. "Photo-excited acoustic waves as a way of process characterization on semiconductor" // in abstract book of 7th International Workshop BEAMS-2003.-Lille (France). - 2003.

10. Smirnov A.B., Savkina R.K. "Elastic waves induced by pulsed laser irradiation" // E-MRS2003, Symposium H.- Strasbourg (France). - 2003.- H/PI.14.

11. Савкіна Р.К., Смірнов О.Б. "Термооптичне збудження хвиль релеївського типу в рамках моделі теплового генератора" // МКФТТП-IХ.- Івано-Франківськ: Україна.- 2003.- C.236-237.

12. Savkina R. K. Smirnov A.B., "Evolution of the defect system in photoexcited semiconductor: “long-rang” effect", in 4th International Young Scientists Conference Problems of Optics and High Technology Material Science SPO – Kiev: Ukraine.- 2003 – C.189-190.

13. Savkina R.K, Smirnov A. B., Tetyorkin V.V., Krolevec N.M, "Ultrasonically stimulated temperature rise around dislocation: extended defect mapping and imaging" // in abstract book of DRIP X .- Batz-sur-Mer (France).-2004.-P.138.

14. Smirnov A.B., Sizov F.F., Savkina R.K. "Electrical characteristics modification in CdxHg1-xTe epilayers subjected to ultrasonic influence" // Тези доповідей II Української наукової конференції з фізики напівпровідників – Чернівці: Україна.- 2004.-C.523-524.

15. R.K Savkina, Smirnov A.B., "Evolution of the defect system in photoexcited cadmium telluride" // E-MRS2004, Symposium O.- Strasbourg (France). - 2004.

АНОТАЦІЇ

Смірнов О.Б. Пружні деформації при релаксації фототермічного збудження в кристалах з різним ступенем п’єзоелектричних властивостей. Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за

спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова Національної Академії наук України, Київ, 2005.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню пружних хвиль Релея, збуджених при поглинанні імпульсів ОКГ на рубіні ( = 694 нм, Л = 20 нс) допорогової інтенсивності в кристалах LiNbO3, GaAs and CdTe:Mn. Визначено, що ефективність перетворення оптичної енергії в акустичну складає (10-7 10-6). Проаналізовано тепловий та електронно-деформаційний механізми генерації пружних хвиль в твердому тілі на прикладі GaAs та CdTe. Оптоакустичні сигнали безпосередньо зареєстровано в п’єзоелектриках LiNbO3 та GaAs. Для GaAs та CdTe визначено величину зсуву поверхні (до 5 нм) та ефективного тиску (до 3 МПа) в "далекій" області кристалу, спричинених розповсюдженням релеївських хвиль. Виявлено ефект лазерної "дальнодії" для кристалів СdTe:Mn та Сd1-xMnxTe (х = .08  .1) та показано, що відповідальним за нього є оптично індуковані пружні хвилі.

Доведено, що акустичні хвилі безпосередньо збуджені п’єзоелектричним перетворювачем в напівпровідникових гетероструктурах на основі CdxHg1-xTe (x = 0.23 0.24) призводять до суттєвої зміни концентрації носіїв аж до зміни типу провідності. Встановлено на прикладі кристалічного CdxHg 1  xTe (х 0.2) можливість зворотнього фототермічного збудження напівпровідникового кристала внаслідок поглинання енергії акустичних хвиль УЗ діапазону та запропоновано модель внутрішнього джерела ІЧ випромінювання, що виникає поблизу протяжних дефектів.

Ключові слова: лазер, оптоакустика, фототермічна деформація, ультразвукова хвиля, рекомбінація, точкові дефекти.

Smirnov A.B. Elastic deformations at relaxations photothermo excitation at crystal with by different extent of piezoelectrical characteristic

Thesis for a Candidate degree by specialty 01.04.07 - solid state physics. - V. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2005.

Thesis deals with investigation of Rayleigh elastic waves excited in LiNbO3, GaAs and CdTe:Mn single crystals due to the absorption of light pulses available from Q-switched ruby laser ( = 694 nm, L = 20 ns) with prethreshold intensity. Transformation efficiency of optical energy to acoustical energy was determined to have a value of about (10-7 10-6). The direct registration of the acoustic response was made for LiNbO3 and GaAs piezocrystals. The generation of elastic waves in GaAs and CdTe crystals as result of the thermal expansion of the crystal lattice and thermalization of the photogenerated nonequilibrium carriers was analyzed. The displacement ( 5 nm) and the effective pressure ( 3 MPa) accompanying the elastic wave propagation were calculated at the location of 4 mm from the irradiated field. "Long-range" effect induced by laser irradiation in CdTe:Mn and Сd1-xMnxTe (х = 0.08 0.1) crystals was found and was connected with propagation of optically excited Rayleigh elastic waves.

It was shown that the action of the acoustic wave excited in CdxHg1-xTe-based geterostructures by piezotransducer results in an essential change of the carrier concentration up to change of the conductivity type. The possibility of the inverse photothermal excitation of solid with activation of internal sources of the infrared radiation as a consequence of the acoustic wave energy absorption was determined.

Key words: laser, optoacoustic, photothermal deformation, ultrasonic wave, recombination, point defects.

Смирнов А.Б. Упругие деформации при релаксации фототермического возбуждения в кристаллах с разной степенью пьезоелектрических свойств.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твёрдого тела. - Институт физики олупроводников им. В.Е. Лашкарева Национальной Академии Наук Украины, Киев, 2005.

В диссертационной работе проведены исследования упругих фотодеформаций, инициированных импульсным лазерным излучением наносекундного диапазона в монокристаллах ниобата лития и материалах микроэлектронной техники - арсениде галлия, теллуриде кадмия и твердых растворах на его основе. В рамках модели "теплового генератора" доказано, что при условии поверхностного поглощения энергии моноимпульса ОКГ релаксация термовозбуждения в фокальной области приводит к генерации акустических импульсов с эффективностью преобразования оптической энергии в акустическую в пределах 10-7 10-6. Оптоакустические сигналы непосредственно зарегистрированы в пьезоэлектрических монокристаллах LiNbО3 и GaAs. Для GaAs и CdTe определена величина сдвига поверхности (до 5 нм) и эффективного давления (2 3 МПа) в "далекой" области кристалла, вызванные распространением рэлеевских волн.

Выявлен экспериментально эффект лазерного "дальнодействия" для кристаллов СdTe:Mn и Сd1-xMnxTe (х = 0.08 0.1) и показано, что ответственным за него является распространение оптически индуцированных упругих волн. Показан нетермический характер дефектообразования в месте лазерного облучения. Для CdTe:Mn определена величина энергии активации локального центра 0.5 эВ, который образуется вследствие импульсного лазерного возбуждения кристалла.

Рассмотрены необходимые и достаточные условия импульсной лазерной генерации рэлеевских волн в полупроводниковом монокристалле в рамках электронно-деформационной модели возбуждения. Установлено, что для GaAs во всем диапазоне используемых энергий лазерного облучения насыщение концентрации фотовозбужденных носителей за счет рекомбинации приводит к доминированию теплового механизма генерации звука. Тогда как для кристаллического CdTe эффективности теплового и электронно-деформационного механизмов близки. Для монокристаллов LiNbО3, GaAs и CdTe рассчитаны 2D-профили рэлеевских импульсов в "далекой" волновой области. Для монокристаллов GaAs, CdTe и Si - 3D-профили деформации в области непосредственного взаимодействия оптической энергии с монокристаллом.

Доказано, что действие акустических волн, возбужденных в полупроводниковых гетероструктурах CdxHg1-xTe/CdZnTe и CdxHg1-xTe/CdZnTe/GaAs (x = 0.23 0.24) пьезоэлектрическим преобразователем на LiNbО3 приводит к существенному изменению концентрации носителей вплоть до изменения типа проводимости. На примере кристаллического CdxHg1-xTe (х 0.2) установлена возможность обратного фототермического возбуждения полупроводникового кристалла вследствие поглощения энергии акустических волн УЗ диапазона и предложена модель внутреннего источника ИК излучения, которое возникает вблизи протяженных дефектов.

Ключевые слова: лазер, оптоакустика, фототермическая деформация, ультразвуковая волна, рекомбинация, точечные дефекты.