Диффузионные модели лазерного отжига полупроводниковых и металлических твердых растворов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ ЛЬІВІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім.І.ФРАНКА

;

сз

ге на правах рукопису

і— •

О- .ЛО

Мар’ян Кузьма

ДИФУЗІЙНІ МОДЕЛІ ЛАЗЕРНОГО ВІДПАЛУ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ТА МЕТАЛЕВИХ ТВЕРДИХ РОЗЧИНІВ

01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків

АВТОРЕФЕРАТ

диссертації на здобуття наукового ступеня доктора фізико - математичних наук

Львів - 1996

Дисертацією є рукопис.

Робота виконгна в Інституті фізики Вищої педагогічної школи в Жешуві (Польща).

Офіціальні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Савицькніі В. Г.

Провідна організація : Інститут фізики напівпровідників НАН України

на засіданні Спеціалізованої ради Д. 04. 08 при Львівському державному університеті ім. І. Франка за адресою: 290005, м. Львів вул. Драгоманова 50 ауд. N 1.

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Львівського державного університету ім. І. Франка (м. Львів, вул. Драгоманова, 5).

Автореферат розісланий,, 1996 р.

Вчений секретар Спеціалізованої ради Д. 04.04.08 доктор фізико-математичних наук,

доктор технічних наук, професор ГотраЗ.ІО.

доктор фізико-математичних наук, професор Кияк С. Г.

професор

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Специфічні властивості лазерного випромінювання використовуються в практиці для модифікації характеристик матеріалів, в тому числі напівпровідників і металів. В сенсі фізичному особливо цікаві недесгрукційні методи лазерної обробки до яких належить і лазерний відпал. В стосунку до напівпровідників необхідно відмітити наступні його застосування: ліквідація дефектів,що виникають під час іонної імплантації, легування напівпровідників (лазерна імплантація), створення р-n переходів, активація домішок, гетерування. Значні досягнення з цій області належать Львівській напівпровідниковій школі (Т.В. Пляцко,

B.Г. Савицький, Р.В. Луців, A.A. Дружінін, Б.К. Котлярчук,

C.Г. Кияк. Докл. Акад. ьаук УССР, сер. А Фіз.-Мат. Науки, (1978),

7, 645). Що ж стосується металофізики, то лазерний відпал теж застосовується для легування (поверхневих шарів), зміни структури (гартування) і т.д. В цих недеструкційних методах зміни виникають в мікроскопічному масштабі. В звязку з тим важливими являються дослідження явищ переносу тепла і масопереносу, тобто дифузії.

Опис переносу тепла під час лазерної обробки грунтується на класичному рівнянні теплопровідності і відомі для цих умов різні наближені аналітичні методи його розв’язання. Натомість менше уваги приділено числовим методам і комгсотерному моделюванню теплофізичних процесів, хоч таке моделювання наближує їх опис до реальності.

В умовах лазерногої обробки опис процесів дифузії набагато складніший, ніж процесів теплопереносу. Основна причина полягає в нестаціонарносгі процесу дифузії, екстремальності умов: величезні градієнти температури, значна швидкість нагрівання і охолодження. Підставою опису цих процесів є рівняння дифузії (рівняння Фліка). Однак, позаях мають місце при цьому величезні

градієнти температури до цього рівняння необхідно додати член термодифузії.

Для простих стаціонарних випадків з відомими граничними умовами існують методи наближеного аналітичного розв’язку первинного рівняння дифузії. Однак, ця проблема стає значно складнішою з врахуванням додаткового члену і нестаціонарності розподілів температури в об’ємі зразка. З огляду на ці труднощі процеси дифузії як в напівпровідниках, так і в металах були описані фрагментарно і тому значна кількість отриманих до цього часу експериментальних даних пов’язаних з лазерним відпалом напівпровідників і металів не отримали інтерпретації, яка б опералася на мікрокопічному описі процесів масопереносу.

Що ж стосується лазерного відпалу твердих розчинів ( як напівпровідникових, так металевих), то проблему масопереносу тут слід розглядати як основоположну оскільки атомна дифузія в цьому випадку може провадити не лише до структурних змін, але й до зміни складу, тобто грунтовної перебудови як зонної структури, так і цілого комлексу кінетичних, оптичних, а отже і фотоелектричних явищ. При цьому варто нагадати, що роль твердих розчинів в сучасних технологіях є вирішальною.

Метою роботи є комплексний опис процесів дифузії під час лазерного відпалу напівпровідникових і металевих твердих розчинів та його експериментальна верифікація.

Для досягнення вказаної мети необхідно було розв’язати наступні задачі:

1. Розробити дифузійні моделі лазерного відпалу для різних просторових масштабів в напівпровідникових і металевих

твердих розчинах {CdxHgx_xTe, Р-С) в залежності від режимів опромінення.

2. Дослідити експериментально вплив лазерного відпалу на структурні (мікроструктурні), електрофізичні , фотоелектричні та механічні властивості вказаних твердих розчинів при різних режимах лазерної обробки згідно рекомендацій теорії для верифікації її висновків та пошуку прогнозованих нових ефектів.

Основними об’єктами досліджень були вибрані представники двох класів твердих розчинів: напівпровідникові тверді розчини телуридів кадмію та ртуті і металеві тверді розчини заліза та вуглецю. Перший з них, власнодефектний напівпровідник

СсіхН§1_хТе, є головним матеріалом інфрачервоної техніки, натомість інший, сплав Ре-С - сталі і чавуни, - як головний конструкційний матеріал, не вимагає додаткових рекомендацій. При всій позірній неподібності фізичних властивостей цих двох класів матеріалів їх об’єднує не тільки їх важливе технічне застосування, не тільки те, що обидва являються твердими розчинами, але й така істотна риса, як наявність високо-динамічної компоненти ( ртуть для першого і вуглець для другого), яка має вирішальний вплив на їх фізичні властивості. Власне ця риса, спільна для обох класів матеріалів, відіграватиме головну роль в створенні дифузійних моделей їх лазерного відпалу. До цього слід додати, що згадана риса не є унікальною і досить часто зустрічається в інших класах твердих розчинів, як напівпровідникових, так і металевих, тому результати отримані в даній роботі можуїь бути застосовані і до них.

Наукова новизна роботи полягає в наступному:

- вперше показано, що фізична природа термодифузії у випадку імпульсного лазерного відпалу приводить до немонотонного просторового розподілу концентрації домішок, або власних дефектів (міжвузлових атомів), або однісї з компонент твердого розчину;

- вперше запропоновано термодифузіий механізм утворення р-п переходів методом імпульсного лазерного відпалу без топлення

початково однорідного матеріалу Ссі xHgx_xTe ;

- вперше показано,що термодифузія може спричинити порушення термодинамічної рівноваги твердого розчину, що в свою чергу може викликати ного розпад з утворенням періодичної шарової структури;

- вперше виявлено ефект релаксаційного довгочасового росту опору, викликаного руйнуванням зв’язаного п-кластеру в

р- СсІх Hg{_x Те після лазерного відпалу;

- вперше вказано на можливість лазерної технології створення матриць фоточутливих елементів на початково однорідних пластинах СсІх Hgx_x Те ;

- вперше на підставі створеної моделі термодифузії вуглецю в інструментальних сталях визначено умови їх гартування в твердому стані лазерним відпалом;

- вперше зроблена спроба сформування фронту дифузії з допомогою впровадження фрактальної симетрії до неї;

- вперше розроблена загальна термодифузійна концепція лазерного відпалу, яка може бути застосована до широкого класу матеріалів, а також до інших типів лазерної обробки, в тому числі з врахуванням фазових змін, тим самим запропоновано новий напрям досліджень - термодифузійні моделі лазерної обробки матеріалів.

Практичне застосування отриманих результатів зв’язане як з

досліджуваними матеріалами {CdxHgx_xTe , інструментальні

сталі), так із сучасною технологією, якою є лазерна обробка.

1. Розроблений мегод числового компютерного моделювання процесу лазерного відпалу дозволяє керувати тим процесом завдяки швидкому знаходженню відповідних параметрів обробки.

2. З’ясований механізм утворення р - п гетеропереходов без розтопленім матеріалу СсіхЬ^х_хТе є фізичною основою простої і дешевої технології виробництва матриць фотоелементів для інфрачервоної області.

3. Вказано на можливість отримання періодичних шаруватих структур за рахунок розпаду твердого розчину під час лазерного відпалу.

4. Лазерний відпал можна використати для гомогенізації матеріалу р-Сй хН%х_хТе за рахунок руйнування існуючого в ньому я-кластеру.

5. Розроблена модель термодифузії вуглецю в інструментальних сталях є фізичною основою лазерної технології гартування цих сталей без топлення поверхні,що дуже важливо з точки зору збереження якості поверхні.

На захист виносяться наступні основні положення:

1. Під час імпульсного лазерного відпалу твердих тіл вирішальну роль відіграють процеси термодифузії атомів - вузлових, міжвузлових, домішок.

2. Фізична природа термодифузії провадить до немонотонного просторового розподілу концентрації домішки, компоненти під час лазерного відпалу.

3. Утворенняр-п переходів під час лазерного відпалу С<1 xHgx_xTe (без розтоплення) спричинене появою екстремумів в просторовому розподілі концентрації компонент внаслідок термодифузії, яка провадить до інтенсифікації хімічної дифузії ртуті.

4. Процеси дифузії ртуті під час лазерного відпалу кристалів СсІх^х_хТе типу р можуть зруйнувати існуючі зв’язані кластери типу п і процес цей може супроводжуватись довгочасовим ростом опору зразка.

5. Утворення максимуму концентрації однієї з компонент внаслідок термодифузії під час лазерного відпалу твердого розчину може порушити його термодинамічну рівновагу і спричинити його розпад, утворюючи при цьому періодичну шарувату структуру.

6. Процеси термодифузії атомів вуглецю в умовах лазерного відпалу твердих розчинів Р-С провадять до прискоренного розчинення карбідів і при достатньо довгому імпульсі до однорідного насичення твердого розчину вуглецем.

Апробація роботи. Основні результати, викладені в дисертації доповідались на міжнародних наукових конференціях:

II,111,1V симпозіумах „Laser Technology” ( Szczecin 1987, 1990, 1993); Європейських конференціях „Physics for Industry - Industry for Physics”(Gliwice 1988, Cracow 1990, Cracow 1991); Європейських конференціях EMRS Spring Meeting (Strasbourg 1993, 1995); 13 General Conference of the Condensed Matter Division European Physical Society (Regensburg 1993); The International Symposium on High Power Lasers and Laser Aplications Y (Wiena 1994); I International Symposium of Engeneering and Functional Materials IEEM93 (Slawsk, Ukraina 1993); 23 International School of Physics of Semiconducting Compounds (Jaszowiec, Poland 1993).

Крім того, результати роботи доповідались на багатьох загальнопольських конференціях, таких як: 4 і 5 Симпозіуми наукові „Przemiany strukturalne w stopach odlewniczych” (Rzeszow 1989, 1993); 6 Загальнопольська науково-технічна конференція (Zieliona Gora, 1990); 31 Конференція „Krzepiecie і krystalizacja metali (Szczyrk-Biala, 1991); Симпозіум „Laserowa obrubka metali і pulprzewodnikow” (Rzeszow, 1992); 2 Симпозіум „Wplyw obrobki laserowej na strukture і wlasciwosci materialow (Krasiczyn 1994); 8 Школа оптоелектроніки „Laserowe technologie obrobki materialow” (Gdansk, 1994); Симпозіум „ Polprzewodnikowe przetwomiki promieniowania w zakresie widzialnym і podczerwieni” (Rzeszow, 1995).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано більше 60 робіт. Перелік основних публікацій приведено в кінці автореферату. Автор був одним з ініціаторів розробки термодифузійних моделей лазерного відпалу в твердих розчинах Cd xHgUxTe та F- С, приймав безпосередню участь в обчисленях, а також в проведенні експериментальних робіт, інтерпретації експериментальних даних та написанні статей.

Структура і об’єм дисертації. - Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків та списку цитованої літератури. Робота викладена на 268 сторінках (разом з рисунками та цитованою літературою), включає 132 рисунків і 212 позицій бібліографії.

У вступі обгрунтована актуальність досліджень, визначена мета роботи, відзначена її наукова новизна і практична цінність, викладено короткий зміст дисертації по розділах, сформульовані основні положення, що виносяться на захист.

У першій главі передусім визначено місце лазерного відпалу посеред інших лазерних технологій, окреслено для нього приблизно області густин енергій є та довжин імпульсів (час тривання імпульсу) - основних параметрів опромінення. Показано, що в цьому типі лазерної обробки важливими є теплові ефекти. Впроваджено інші параметри лазерної обробки, зв’язані з матеріалем, а саме: температуро-провідність а, об’ємна густина енергії, що виділяється в матеріалі під час поглинання лазерного випромінювання q = ехр(-а х) де IV - густина енергії випромінювання, що ввійшло в кристал, а - коефіцієнт поглинання випромінювання, х - товщина матеріалу.

Всі ці величини зв’язані між собою в класичному рівнянні теплопровідності, застосованому до випадку поглинання лазерного випромінювання:

Основний зміст роботи

де T - температура, як функція часу і просторових координат, X -теплопровідність матеріалу.

Далі, дасться короткий огляд робіт з лазерної обробки твердих розчинів CdxHgl_xTe та F- С, виконаних до початку даної роботи. В наступних параграфах описана методика експериментальних досліджень, що проводились на зразках до та після лазерного відпалу, а також детально описана методика вибору режимів лазерної обробки в залежності від поставленого завдання. .

Другий розділ присвячено числовому моделюванню процесів дифузії під час лазерного відпалу твердих розчинів Cd xHgl_xTe ( в майбутньому - скорочено КРТ). Основою для таких розрахунків являються просторовочасові розподіли температури, а також градієнтів температури, тому їх обчисленя належить до першочергових завдань. Обчислення температурних полів проводилось за допомогою вищенаведеного рівняння теплопровідності для випадку лазерного нагріву. При цьому був використаний факт порівняно невеликої велечини теплопровідності КРТ для складу з х=0.2, де 1 = 5 W/ тК і слабо змінюється з температурою. Це дозволило обмежитись лінійним випадком рівняння теплопровідності.

Одним з числових методів розв’язання диференціального рівняння другого порядку, яким є рівняння теплопровідності, є метод кінцевих різниць або метод сіток, як будемо його називати в майбутньому (P. Potter. Computational Physics. John Wiley & sons, London, 1973). В цьому методі диференціальне рівняння представляється в формі локально-одновимірних різниць. Вищенаведене рівняння теплопровідності в такій формі матиме вигляд:

ат rpk+vz , f і , 2ат\ аг , аWт „-t&v-d

А2 I A2J ‘ 2 ' Т (2)

Якщо дія лазера припиняється, необхідно в цьому рівнянні відкинути другий доданок в його правій частині. Введені в рівнянні індекси звязані з використовуваним тут методом сіток: т - часовий крок, її - прсторовий крок, к - номер часового шару (кроку), і - номер просторового шару (кроку ).

Використана нами програма дозволяла ділити зразок на ЗО просторових шарів в напрямі перпендикулярному до

опромінюваної лазером поверхні в глибину зразка. Таким чином,

рівняння (2) репрезентує систему ЗО лінійних рівнянь для даного часового кроку, для розв’язку якої необхідно мати початкові та граничні умови. Обчислення були проведені для наступних умов:

7; = 300 К (3)

тобто зразок при [ =0 має кімнатну температуру;

?■»£+1/2 <7-»£+1/2 / «ч

о = 4 (4)

що означає рівність температур першого шару зразка і повітря під час дії лазера (після припинення дії лазера вводився коефіцієнт теплообміну незначно менший від одиниці);

тобто на контакті останнього шару обчислюваної частини зразка з його продовженням має місце лінійний градієнт температури ( / -товщина зразка).

Для розв’язання системи лінійних рівнянь (2) для довільного числа часових кроків була використана стандартна програма методу виключень Гауса. Стабільність розв’язку при цьому залежить від співвідношення трьох величин: ат< 0.25 й2.

Фізичний сенс цього співвідношення наступний: дифузійна

п

довжина теплопереносу не повніша перевищувати двох просторових кроків.

Конкретні обчислення просторово часових розподілів температури були проведені для епітаксіальних шарів КРТ (х=0.2) товщиною ЗО мкм на підкладцці з CdTe. Очевидно, що ті самі обчислення можна провести і для об’ємних зразків КРТ. Вважалося, що обробка проводиться неодимовим лазером (довжина хвилі випромінювання 1. 06 цт), з довжиною імпульсу 8 ns, ЗО ns, l^is, 25 fis і 250 fis. Враховано наступні величини параметрів досліджуваного матеріалу ( J. Piotrowski, A. Rogalski. Polprzewodnikowe detektory podczerwieni. PWN, Warszawa, 1985): теплопровідність X = 5 W/mK; температуропровідність a = UCV p = 8.3*10 m2/s; коефіцієнт поглинання для даної довжини хвилі

а = 1-Ю щ-6 . Густина енергії випромінювання вибиралася так, щоб найвища температура зразка не перевищувала температури топлення (1050 К ).

Приклад обчисленого часово-просторового квазітрьохмірно-го розподілу температури показано на рис. 1а для випадку довжини імпульсу 250 jis. Програма дозволяла також обчислювати часово-просторовий розподіл градієнту температури VT(x,t), який також показаний тут ( рис. lb). З приведених прикладів видно, що основні „події” в теплопереносі при імпульсному лазерному

відпалі даного зразка відбуваються на протязі часу рівному 1.5 t,, де t, - час тривання імпульсу. До гсінця імпульсу проходить нагрівання поверхневого шару до максимальної температури, а пізніше швидке охолодженя за час, рівний приблизно 0.5 ti. Видно, що за цей час (1.5 t, = 370 s для приведеного випадку) нагрівання і охолодження зразка відбувається дуже нерівномірно і повстають величезні градієнти температури (в максимумі - до 8 млн. К/m). При чому, максимум VT пересунутий в глибину зразка й знаходиться приблизно на відстані 2 цт від освітлюваної поверхні.

Рис. 1. Часово-просторові розподіли температури (а) градієнту температури (Ь), та концентрації міжвузлової ртугі (сГеП отримані числовим моделюванням для випадку лазерного відпалу

^=3^08^10 13 \^/тзСИН°Ю ШПуЛЬСу 250 щетиною потужності

Ці основні риси розподілів T(x,t) і VT(x,t) повторюються й для більш коротких імпульсів із зміною, звичайно, просторово-часового масштабу. Із скороченням імпульсу зменшується об’єм, охоплюваний великими градієнтами температури при одночасно більших величинах градієнтів у максимумі. Так, при tt =250 ^s, глибина зразка, якої сягають значні градієнти температури (V7MK/pm) становить більше 20 рш, як це видно з рис.іЬ, натомість, при = 1 jos ця величина є меншою, ніж 0.5 рт. Як буде показано пізніше, цей факт відіїрає важливу роль в процесах дифузії.

Schottky вперше впровадив термодифузію в процеси масопереносу з участю точкових дефектів (вакансій та міжвузлових атомів) на підставі класичної термодинаміки, даючи одночасно квантово-механічне витлумачення цьому процесові, як захопленню атомів фононами (G. Schottky. Phys. stat. sol., (1965), 8, 357 ). При звичайних методах нагріву роль цієї компоненти дифузії, пропорціональної градієнтові температури, незначна, Ситуація різко змінюється при використанні лазерного імпульсного нагріву, де, як було показано вище, градієнти сягають величини більшої за 1 К/цт. В цьому випадку термодифузію можна образно назвати фононним вітром, ввівши слідом за Фіксом (В.Б. Фикс. Ионная проводимость в металлах и полупроводниках. М., Физматгиз, 1969) поняття сили фононного вітру:

де - середній час релаксації фононів в даному середовищі (на атомах граней), - час релаксації фононів на атомі, що дифундує.

Сила фононного вітру створює додатковий потік атомів, яким слід доповнити рівняння дифузії. В підсумку отримуємо:

(6)

dt

vpvw)- 1(Z).лкв:Т)(Г/1zß )<7r}

(7)

де N - концентрація атомів, що дифундують, D - коефіцієнт дифузії, кв - стала Больцмана. Аналіз рівняння (7) показує, що термодифузійний потік атомів скерований протилежно градієнту температури (від горячсго кінця до холодного), натомість, просторовий розподіл концентрації залежить від другої похідної температури по просторовій координаті й матиме екстремум в точці максимуму градієнту температури, тобто не буде монотонним. Оскільки, підсумковий розподіл концентрації атомів є результатом інтегрування за координатами часовою і просторовою, то абсолютні величини цих екстремумів пропорційні часовим і просторовим обшарам, які займують значні ірадієнти температури. Це означає, що для коротких імпульсів ефекти немонотонного розподілу повинні бути менші.

Числовий розв’язок рівняння (7) теж виконувався методом сіток, як і для випадку рівняння теплопровідності ( у відношенні матеметичному ці два рівняння аналогічні), При цьому використовувалися отримані раніше розподіли температур і градієнтів температур.

Числове моделювання процесів дифузії було проведено для тих самих умов, що й теплофізичних процесів, тобто спочатку для епітаксіальних шарів КРТ (х=0.2) на підкладці з CdTe (для об’ємних кристалів буде те саме тільки зміниться одна з граничних умов). Розглядався процес дифузії ртуті, як найбільш динамічної компоненти. З попередніх праць відомо (див., н?пр., A.A. Заитов, A.B. Горшков, Г.В. Шаляпина. Физ. тв. тела, (1978), 29, 1601), що в КРТ існують два механізми дифузії ртуті - міжвузловий та вакансійний, шо відповідає двом її складовим: „повільній” та „швидкій”, відповідно. Ці дані підтверджені пізнішими роботами (M.F.S. Tang, D.A. Stewenson. J. Vac. Sei. Techn., (1989), AI, 544). Із загальних міркувань виникає, що в нашому випадку мають місце наступні процеси: фононний вітер вириває атоми ртуті з вузлів гратки, генеруючи при тім вакансії, що в свою чергу інтенсифікує

різко вакансійний механізм хімічної дифузії в розумінні Заитова, який в цитованій праці показав, що власне взаємодія між вакансіями та міжвузловими атомами ртуті провадить до переносу маси, названої хімічною дифузією ртуті. Цей механізм був використаний також іншими авторами (V.l. Ivanov-Omskii, N.N. Berchenko, A.I. Elizarov. Phys. stat. sol., (1989), 103, 11) і визначені ними параметри дифузії Do=0.6 cm2/s, Еа = 0.96 eV використані в наших обчисленнях.

Граничні і початкові умови для числового розв’язання рівняння (7) для дифузії ртуті під час лазерного відпалу за тих самих умов імпульсної обробки, при яких розв’язувалось рівняння теплопровідності, були наступні: початкова концентрація

міжвузлової ртуті вибиралась рівною №¡ = 1021 nr3, концентрація цих атомів в шарі і = 0, тобто в повітрі No =0 (ця умова автоматично вносить в розв’язок від’ємну дифузію з поверхні, тобто випаровування); враховано також відплив ртуті до підкладки (CdTe) згідно з виразом:

*31 = N30erfi{h 12^Ö7) (8)

де А'зо і Л^зі - концентрація атомів в останнім шарі КРТ та в граничному до нього шарові підкладки (для випадку об’ємного кристалу КРТ береться простіша умова Л^зі =iV*';зо

На рис. 1с показано обчислений просторово-часовий розподіл концентрації ртуті для лазерного відпалу з довжиною імпульсу 250 jís (відповідний показаним тут розподілам температури та градієнту температури). Видно, що підсумком лазерного відпалу є повставання максимуму концентрації атомів ртуті на глибині між двома та трьома мікрометрами, тобто на місці максимуму градієнту температури. На рис Id результат аналогічних обчислень, але без врахування члену термодифузії в рівнянні (7). Отже безсумнівним є те, що немонотонний розподіл концентрації , що повстає після імпульсного лазерного відпалу, зумовлений характером термодифузії, а саме: її пропорційністю градієнтові температури. Подібні розподіли концентрації були

іб

отримані і для коротших імпульсів лазерного відпалу, але чим кортший імпульс, тим менш виразні максимуми концентрації. Останнє зумовлено, як про це зауважено вище, меншими об’ємами, які охоплюють градієнти температури при коротких імпульсах, що зменшує одночасно ресурси термодифузії.

Числове моделювання дозволило пердбачити ще одну властивість виявленого описаним способом ефекту сегрегації ртуті під час імпульсного лазерного відпалу КРТ, а саме: його аддитивність. Цю властивість ілюструють рис. 1е та If, де показані розподіли концентрації після двох послідовних та трьох послідовних лазерних імпульсів. Величини максимумів концентрації, при цьому, майже пропорційно зростають.

На закінчення розгляду числового моделювання (компютерної симуляції) процесів дифузії ртуті під час лазерного ьідпалу КРТ слід зауважити, що рівняння (7) не враховує двох факторів, присутніх в цьому процесі: по-перше, дію поля термопружних сил, по-друге, генераційно-рекомбінаційного члену. Детальний аналіз цих факторів, проведений в роботі дозволяє ствердити, що обидва вони значно підсилять ефект сегрегації, особливо другий - генераційно-рекомбінаційний член, - позаяк зінтенсифікує процес хімічної дифузії ртуті,

В третьому розділі приведені дані різносгороннього експериментального дослідження лазерного відпалу КРТ. Експерименти виконано на п’яти серіях зразків, які включали: епітаксіальні плівки /?-типу на підкладках з телуриду кадмію (1-ша й 2-га серії), об’ємні кристали з концентрацією близькою до власної (низький р-тип - 3-тя серія, а також низький «-тип - 4-та серія), об’ємні кристали «-типу (5-та серія). На зразках кожної з цих серій отримано з допомогою рентгенівського мікроаналізу (мікро-Х-аналіз) розподіли концентрації компонент вздовж осі, перпендикулярної до поверхні опромінення до та після лазерного відпалу. Лазерний відпал виконувався з дотриманням тих параметрів, для яких проведено компютерну симуляцію, описану в попередньому розділі. До речі, відпал проводився три разовим

імпульсом. Приклад отриманих мікро-Х-аналізом до і після лазерного відпаїху концентраційних профілів зразка 2-ї серії показано на рис. 2. Видно, що до відпалу розподіли концентрації компонент мать вигляд характерний для епітаксіальних шарів: при наближенні до підкладки (СсІТе) концентрація Ссі і Н§ монотонно змінюється - перша зростає до 50% , а друга спадає до 0%. Натомість, після відпалу концентраційні профілі всіх трьох компонент перестають бути монотонними. На розподілі концентрації ртуті спостерігається виразний максимум на глибині біля 1.5 цт. На розподілі концентрації Ссі при цьому має місце мінімум.

5 0 2 4 6 8 10 12 ¡4 і((ш)

Слід відмітити, що максимум концентрації ртуті при х=1.5 jim не є єдиним. При 5 jim і 7 цт також спостерігаються максимуми меншої амплітуди на розподілі концентрації Hg. їм відповідають також мінімуми концентрації Cd. Таким чином, можна говорити про осциляції концентрації компонент або осциляції складу твердого розчину КРТ після імпульсного лазерного відпалу.

Подібні концентраційні профілі були отримані для зразків інших серій. Незалежно від типу провідності (початкової концентріції власних дефектів) завжди на глибині близько х=1.5 цт на концентраційному розподілі Hg має місце максимум .

Рис. 2. Розподіл компонент Те, Cd і Нд в епітаксіальній

плівцір-С<іхН%х_хТе до (—)

та після (— ) імпульсного лазерного відпалу. Вісь х перпендикулярна до

поверхні опромінення.

Отже, можна стверджувати, що ці максимуми викликані значною інтенсифікацією хімічної дифузії ртуті під час лазерного відпалу, тобто являються експериментальним підтвердженням прогнозованого компютерною симуляцією немонотонного розподілу концентрації ртуті, показаного на рис.ІГ

На зразках досліджуваних серій як до лазерного відпалу, так після виконувався комплекс електрофізичних досліджень, а саме: вимірювання опору, температурної залежності провідності та

коефіцієнту Хола. Для епітаксіальних плівок р-Сгіх^х_хТе зареєстровано ефект релаксаціїного росту опору після однократного лазерного відпалу, як це показано на рис. За.

МуІ

(N)

Ь)

«

20

30 y.jin

Рис. 3. а) Зміна опору епітаксіальної плівки p-CdxHgl_xTe в функції часу після опромінення трьома послідовними імпульсами з густиною енергії рівною: 1-1.46 J/ cm2, 2 - 1.74 J/cm2, 3 - 1.74 J/cm2. Точки - експериментальні дані, криві - апроксимація з характерними часами 21.4 хв., 12.1 хв. та 10.0 хв.. відповідно.

Ь) Мікророзподіл концентрації ртуті дня двокластерної провідності перед лазерним відпалом (суцільна крива) та під час лазерного відпалу (пунктирні криві) . в підписі до рис. За.

Видно, що опір зразка росте після першого імпульсу майже годину з тенденцією до насичення. Після наступних імпульсів час насичення коротший. Цей ріст опору можна апроксимувати

експоненціальною залежністю з характерними часами, вказаними -в підписі до рис. За.

Власне з величин цих характерних часів випливає, що виявлений ефект не може бути зінтерпертований на підставі дифузійної моделі лазерного відпалу, описаної в попередньому розділі, позаяк там перебудова концентраційних розподілів під час лазерного відпалу відбувалася на протязі десятих долей мілісекунди. Крім того, передбачувані цією моделлю і виявлені максимуми концентрації ртуті, як показує простий розрахунок, спричинять зменшення, а не збільшення опору зразка і цс спостерігалося на зразках типу п. Натомість, на деяких зразках типу р серії 1 і 2 спостерігається показаний на рис. За ефект довгочасового релаксаційного росту опору і інтерпретація цього ефекту вимагає застосування іншої моделі. На таких зразках було проведено комплекс електрофізичних та фотоелектричних вимірювань, які привели до наступних результатів: по-перше, на температурних залежностях коефіцієнту Хола до відпалу виявлено тенденцію до другої інверсії знаку, яка зникає після відпалу; подруге, температурна залежність провідності змінює свій нахил після відпалу на більший; по-третє, спектральна залежність фотопровідності показала наявність двох максимумів ка довгохвильовому краї, що свідчить, якби, про наявність двох країв власного оптичного поглинання до відпалу, а після відчалу залишається один - між тими двома.

Ці експериментальні дані свідчать про внутрішню мікроструктурну неоднорідність досліджуваних зразків та їх гомогенізацію лазерним відпалом. До них можна застосувати модель двокласгерної електропровідності, запропонований Івановим-Омським, Берченком та Елізаровим у вищецитованій праці. Тобто, в досліджуваних зразках /ьтипу існують зв’язані кластери и-типу, створені ланцюжками дислокацій, які, як відомо, стягують до себе міжвузлову ртуть. Дані температурної залежності власної електропровідності та спектральної залежності власної фотопровідності свідчать, про меншу ширину забороненої зони в

кластерах л-типу, а, отже, і про вищу концентрацію ртуті вздовж цих ланцюжків.

Імпульсний лазерний відпал приводить до руйнації зв’язаного «-кластеру. Пояснити цей процес можна на підставі моделі дифузії з обмеженого джерела. Розв’язання рівняння дифузії для цього випадку добре відомі (див напр. Г.В. Абдулаев, Т.Д. Джафаров. Атомная диффузия в полупроводниковых структурах. Атомиздат., М., 1980). Якщо застосувати цю модель, яку назвемо мікроскопічною дифузією на відміну від попередньої моделі, яку можна назвати макроскопічною , бо дифузія там відбувалась не локально і приводила до змін концентраційних розподілів у цілому зразку (ці назви, звичайно умовні, бо там і тут опис є мікроскоповим) до ланцюжка з підвищеним вмістом ртуті, то можна обчислити часи розпливання цих мікронеоднорідностей в розподілі концентрації під час лазерного відпалу. На рис. ЗЬ показана схема з результатами цих обчислень. Видно, що тут знову характерні часи становлять десяті долі мілісекнди, але оскільки мова йде про зв’язаність «-кластеру, провідність по якому понижує загальний опір зразка, то деструкція цієї зв’язаності є процесом довгочасовим після поштовху наданим лазерним відпалом, що розриває частину зв’язків згідно схеми на рис. ЗЬ. Як показано у відомій книзі Ефроса і Шкловського (Б.Й. Шкловський, А.Л. Єфрос. Електронньіе свойства легированных полупроводников. Наука, М., 1979), опір по зв’язаному кластеру експоненціально залежить від кількості зв’язків, що й може пояснити довгочасову релаксацію опору, яка має експоненціальний характер.

З вищеприведеного можна зробити висновок, що у випадку початкової неоднорідності зразка домінуючий вплив на фізичні властивості має процес „мікроскопічної” дифузії під час лазерного імпульсного відпалу.

Натомість у випадку початково однорідних зразків (зразки серій 3,4,5) головний вплив має багатошаруватість,викликана немонотонними концентраційними профілями, що повстають в підсумку „макроскопічних” термодифузійних процесів.

Проявляється це , в першу чергу, на магнітопольових залежностях коефіцієнту Хола.

• Осциляції складу в КРТ після лазерного відпалу можна пояснити на підставі термодинамічної моделі двокомпонентного твердого розчину (А.Г. Хачатурян. Теория фазовьіх превращений и структура твердых растворов. Наука, М., 1974). В цитованій книзі покозано, що для випадку суміші двох фаз для вільної енергії, як функції концентрації, отримується рівняння, аналогічне в математичному відношенню одновимірному рівнянню гармонічного осцилятора, де роль часу відіграє просторова координата, а роль сили хімічний потенціал в сумі з похідною від вільної енергії по концентрації. Однгш з розв’язків цього рівняння є періодичний розподіл концентрації, викликаний розпадом твердого розчину. Причиною такого розпаду може бути порушення термодинамічної рівноваги, спричинене значними термодифузійними процесами під час лазерного імпульсного відпалу.

В четвертому розділі розглядаються дифузійні моделі лазерного відпалу твердих розчинів заліза й вуглецю. Як вже відзначалося структура і фізичні властивості твердих розчинів КРТ і F- С значно відрізняються, але разом з тим мають дуже важливу спільну рису: в обидвох розчинах присутня динамічна компонента (Hg, С), яка вирішальним чином впливає на фізичні властивості твердого розчину. Таким чином, розробка дифузійної моделі лазерного відпалу сталей і чавунів необхідна для з’ясування ефектів такої обробки.

При застосованшо „макроскопічної” моделі дифузії необхідно підкреслити важливість однорідності вихідного матеріалу. Як показано в попередньому розділі існування кластерів приводить до неефективності „макроскопічної" дифузії. Зростає важливість „мікроскопічної” дифузії. Ще в більшій мірі повинно це проявлятись у випадку сталей з їх полікристалічною структурою. Результати числового моделювання дифузії вуглецю в розчинах F-C з допомогою методу, описаного в розділі 2, підтвердили це припущення. Не вдалося при цих обчисленнях

виявити виразні ефекти, які би пояснювали експериментальні дані. Натомість, ефективною виявилась модель „мікроскопічної” дифузії, яка відбувається всередині зерна з обмеженого джерела. Саме що модель застосовано для інтерпретації значної кількості зібраних в цьому розділі та раніше опублікованих автором експериментальних даних.

Лазерна обробка була проведена для інструментальних сталей SK5MC та SW7M (згідно європейських норм маркування HS7-4-2-9 та HS6-5-2 відповідно). Вибір цих матеріалів був продиктований широким їх застосуванням в промисловості та необхідністю застосування до них нових технологій теплової обробки.

Використовувався лазер СОг неперевнеї дії з потужністю випромінювання 400 W і 1000 W. Густина енергії вибиралася так з допомогою фокусування промення, щоб отримати незначне поверхневе топлення металу. Для полегшення проведення

майбутніх ренгеноструктурних досліджень на поверхні зразка протоплювались кілька близьких одна до одної доріжок. В такий спосіб в перерізі отримувались зона розтоплена та зона відпалена, яка до неї прилягала.

Металографічний аналіз структур (як поверхні, так і перерізу) до і після лазерної обробки проводився з допомогою мікроскопу Neofot-2 та скануючого оптичного мікроскопу

Novascan ЗО.Травлення перерізів Ніталем (4%) дозволило виразно спостерігати межі розтопленої та відпаленої зон. Після

повторного травлення розчином 6 г FeCb, 3ml HCl, 100 ml C2 H5 ОН вдалося отримати внутрішню структуру відпалені зони, яка складалася із зерен мартенситу, відділених білою фазою, котрою може бути залишковий аутенсит або виділення евтектики ледибуриту.

Ренгенографічні дослідження проводились дифракто-

метричним методом на X- дифрактометрі ДРОН 3. Фазовий аналіз проводився з допомогою програми „Difract X-rayan”. Цей аналіз показав наявність в зернах до лазерної обробки значної кількості карбідів різного типу ( особливо МбС і МгзСб). Після обробки

спостерігається зріст структури мартенситу і часткове розчинення ^карбідів.

Детальні вимірювання мікротвердості показали її ріст після лазерної обробки як в зоні розтоплення, так і відпалу.

Для сталей Б\У7М вшсонано обчислення теплових процесів під час лазерної обробки на основі аналітичного роз’язання рівняння теплопровідності для одномірного випадку, оскільки такі залежності потрібні для аналізу процесів „мікроскопічної” дифузії

і, разом з тим, дозволили отримати такі величини термічної обробки, як: максимальна температура поверхні зразка, розподіл температури вздовж осі скерованої вглибину зразка, градієнти температури, швидкості нагрівання і охолодження і т.д.

Перед тим, як перейти до аналізу процесів дифузії в тих сталях, треба зауважити, що сталь Б^У7М в стані після відігрівання являє собою твердий розчин ферит - вуглець, де вуглець знаходиться в зв’язаному стані (в карбідах). Відомо, що під час класичного термічного гартування вуглець дифундує з цих карбідів до основи насичуючи її до такого ступеня, шо стає можливим перетворення її в мартенсит. Постає питання, чи за короткий час лазерного нагрівання при температурі нижче розтоплення (зона відпалу) встигають розчинитись карбіди, щоб наситити достатньо основу вуглецем до перетворення її в мартенсит. Треба зауважити, важливість такого дослідження, позаяк до цього часу вважалось, що ефективне лазерне гартування можливе тільки за умови розтоплення матеріалу. Приведені вище наші експериментальні дані показують ріст твердості, отже можливість гартування і в зоні відпалу. Аналізом процесу дифузії можна окреслити умови максимального розчинення карбідів, що є умовою найбільш ефективного гартування під час відпалу.

Карбід та основа феритна являють собою систему двох фаз, які стикаються - одна з більшою концентрацією вуглецю (4.5 %), а інша з меншою (близько нуля). Тому процес дифузії під час лазерного відпалу необхідно описувати дифузійною моделлю з обмеженного джерела (карбіду) до феритної основи аналогічно застосованій моделі для руйнування кластерів насичених ртуттю в

твердих розчинах KPT типу р. Розв’язанням рівняння дифузії для такої системи є наступна залежність (V.F.Ashby, К.Е.Easterling. Acta Metall.._32, (1984), 1935):

де се- концентрація вуглецю в карбіді, Су - концентрація вуглецю в основі.

Щоб отримати величину х області з даною концентрацією сс необхідно підставити в рівняння (9) с (х,і) = сс Тоді отримаємо :

Оскільки стала дифузії D залежить від температури в кожній точці часу й простору в складний спосіб, тому величину Dt замінюємо інтенсивністю теплового циклу I: D t — D0 /, згідно з дотованою вище працею Ashby і Easterlinga. Обчислені в такий шосіб величини х областей навколо карбіду з даною концентрацією с на різних відстанях від поверхні зразка показані на рис. 4.

Якщо пов’язати залежності показані на рис. 4 з розподілом емператур з глибиною, то видно, що величина області насиченої ііглецем до 0.5 % є досить велика і становить поблизу температури 500 К ( z = 0.71 шш) біля 7цш . Це достатньо, щоб весь ферит іеретворився в аустеніт , а потім при охолодженні в мартенсит, 'обто, слід на цій глибині очікувати загартування в твердому тані. Порівнювання результатів цих обчислень з даними имірювання мікротвердості підтверджує цей висновок.

(9)

x=A-d±-\jm

(10)

x loVl

60.00 —I

ад.оо —

20.00 ■

z=0.42 mm (T=200'iK)

z=0.52 mm (1810 K)

f У

Г\

\

X

z= 0.71 mm (1500K)

z=1.26mm

/(1000K)

/V.

z=1.03 mm (1150K)

у

0.00

0.40

0.80 1.20 C{%]

H“

1.60

Рис. 4. Залежність величини області х з даною концентрацією С ВІД глибини 2

В РОЗДІЛІ

п’ятому описана реалізація рекомендацій термо-дифузійної теорії в стосунку до утворення р- п гетеро-переходів в КРТ за допомогою лазерного відпалу. З обчисленого розподілу концентра-

ції ртуті показаної на рис.If і підтвердженого експериментально як в зразках типу р, так в зразках типу п , випливає, що приповерхневий шар зразка після лазерного відпалу збіднений на ртуть, а наступний, що межує з ним, збагачений ртуттю через наявність максимуму її концентрації , з чого можна зробити висновок про зміну не тільки концентрації власних дефектів, але також про зміну складу КРТ. Ця зміна складу, як показують дані мікро-Х-аналізу відбувається на досить малій відстані (біля 0.02 |лш). З цього можна зробити висновок про існування досить гострого гетеротіереходу, в якому одночасно із зміною ширини забороненої зони має місце і зміна типу провідності з р на п . Такі р - п гетеропереходи з приповерхневим широкозонним напівпровідником, як відомо мають значний фотовольтаічний ефект. Для перевірки цих міркувань був проведений триразовий лазерний відпал локально на зразках серії 5, які початково не були фоточутливі в області 5 -10 цш при Т-11 К.

2.00

Рис. 5. Криві просторового розподілу фото-вольтаічного сигналу зразка п- Cdx Hgx_x Те підданого лазерному відпалу у вказаних місцях.

Густина енергії в лазерному промені під час відпалу була рівною 0.8 J/cm2. Обшари зразка піддані відпалу заштриховані на рис. 5. Фотоелектричні вимірювання проводились методом лазерного сканування. Використовувався зондуючий промінь від лазера СО з довжиною хвилі 5.33 jum та з потужністю 25 mW. Діаметр плями зонда не перевищував 80 цт. Лазерний промінь сканувався вздовж осі х на рис. 5, а сам зразок пересувався вздовж напряму у. Як видно з отриманого в такий спосіб просторового розподілу фотосигналу ( при нульовому темновому струмі) в місцях лазерного відпалу має місце різкий ріст сигналу. Сигнал спадає до нуля, коли світловий зонд знаходиться поза цими місцями. Такий значний фотовольтаічний сигнал можна пояснити тільки існуванням великого потенціального

бар’єру на гетеропереході.

Таким чином, методом імпульсного лазерного відпалу можна отримати високофоточутливі р - п гетероперехода. Позаяк такі гетеропереходи можна злокалізувати на дуже малих поверхнях, то описаний метод є фізичною основою простої і

дешевої лазерної технології виробництва матриць фоточутливих елементів.

' Останній шостий розділ присв’ячений спробі опису фронту дифузії з допомогою фрактальної симетрії, що створило би додаткові можливості для керування тим процесом.

Форма фронту дифузії описується двома параметрами - його шириною та довжиною. Проблема та зв’язана з перколяціями (стрибками) на трьохмірній сітці. Основні закономірності можна знайти, обмежуючись двомірним випадком. Розглянуто двомірну перколяційну модель дифузії, як випадковий рух на двомірній сітці з градієнтною перколяцією (змінна концентрація занятих комірок). Була проведена комгпотерна симуляція такого руху на сітці розміром 600x600. Результати симуляції показують, що фронт дифузії в кристалі має фрактальний характер, поблизу середнього положеня фронту дифузії повстають найбільші кластери, розмір цих кластерів визначає ширину фронту дифузії. Цим самим показано на важливість такого аналізу фронту дифузії для лазерного легування кристалів з метою отримання різких або розмитих концентраційних розподілів.

У висновках приведені основні результати роботи:

1. Розроблено дифузійні моделі лазерного відпалу напівпровідникових (СсІхН§\-хТе') та металевих (її- С) твердих розчлнів. Ці моделі описують дифузійні процеси в макроскопічному, що охоплює цілий кристал, та мікроскопічному, що обмежується до величини кластеру чи зерна кристалі гу, масштабах.

2. Показано, що під час лазерного відпалу вирішальну роль відіграює тгрмодифузійний член в рівнянні дифузії (фононний вітер). Характер залежності того члену від температури провадить до немонотонного розподілу концентрацій.

3. Розроблено метод числового моделювання (комтотерної симуляції) процесу лазерного відпалу в СсІ хН%х_хТе .Основою методу є дифузія міжвузлової ртуті, яка приводить до хімічної дифузії, чи транспорту маси. Можна передбачити, що у випадку

імпульсного лазерного відпалу повстають значні потоки вакансій та міжвузлової ртуті, що може приводити до так званого зінтепсифікованого вакансійного механізму дифузії, такого, що транспорт маси може допровадити до локальної зміни складу твердого розчину.

4.3 використаним методу сіток отримано просторово-часові розподіли температури, градієнту температури та концентрації компоненти твердого розчину для різних режимів відпалу. Результати симуляції для випадку відпалу початково

однорідного твердого розчину CdxHgx_^Te показують на виникнення максимуму концентрації ртуті в глибині матеріалу на відстані, яка залежить від довжини імпульсу. Цей ефект названо ефектом сегрегації ртуті. Виявляється, що він є більш виразним для довгих мікросекундних імпульсів в порівнянні з наносекундни ми.

5. Проведено систематичні експериментальні дослідження лазерного відпалу епітаксіальних плівок та об’ємних кристалів CdxHg,_Je (х=0.2) з різними типами провідності і різними початковими концентраціями носіїв (власних дефектів) гіри сталих параметрах відпалу (¿, = 250 fis, X = 1.06 fim, є = 0,8 J/ cm2).

6. Експериментально підтверджено існування максимуму концентрації ртуті в твердому розчині CdxHgx_xTe поблизу

опромінюваної поверхні на відстані біля 1.5 цт. Можна припустити, що цей максимум спричинений хімічною дифузією ртуті, викликаної значними потоками вакансій та міжвузлових атомів ртуті, що повстають під час імпульсного лазерного відпалу, як це було показано методом симуляції.

7. Виявлено вперше осциляції концентрації компонент твердого розчину після імпульсного лазерного відпалу. Це явище інтерпретовано розпадом двокомпонентного твердого розчину внаслідок порушення термодинамічної рівноваги спричиненої дифузією, яка привела до сегрегації ртуті.

8. Виявлено вперше ефект довгочасового релаксаційного росту опору після імпульсного лазерного відпалу' Cd xHgl_xTe типу р.

9. Розроблено модель мікроскопічної дифузії (з обмеженого джерела в межах кластеру), яка під час лазерного відпалу гомогенізує матеріал і є універсальною моделлю, яка може бути застосована до довільних матеріалів з неоднорідною структурою, наприклад до металевих твердих розчинів з полікристалічкою структурою.

10. Експериментальні дослідження структури твердого розчину F-С після лазерного відпалу показали гомогенізацію структури, в якій має місце повне розчинення карбідів в твердому стані. Обчислення в рамках дифузії мікроскопічної підтверджують можливість повного розчинення карбідів.

11.Методом імпульсного лазерного відпалу CdxHgl_xTe типу п утворено р-п переходи з високою фоточутливістго згідно рекомендацій числового моделювання процесів дифузії під час імпульсного лазерного відпалу.

12.Показана важливість фрактального характеру дифузії при лазерному відпалі напівпровідників та металів.

13.Представлена в даній роботі загальна концепція термо-дифузійного лазерного відпалу може знайти практичне застосування в різних областях:

• отримання періодичних планарних структур на базі CdHgTe,

® проста лазерна технологія виробництва матриць фоточутливих елементів,

• можливість гартування сталей без розтоплення поверхні.

Основні результати дисертації опубліковані в роботах:

1. Kuzma M., Kusnierz J., Stefaniukl. Dobor parametrow lasera YAG:Nd

przy odparowaniu metali // Materialy П Sympozjum Techniki Laserowej.

- Szczecin . -1987. - str. 380-382.

2. Kulig A., Kuzma M., Bylica A., Gajdek M., Stefaniuk I. Makroskopowe

efekty oddzialywania silnego promieniowania laserowego z metalami //

Inzynieria Materialowa. - 1988. - nr 4. - str. 104-106.

зо

3. Bylica A., Wozniacki A., Kuzma M., Kulig A. Oddzialywanie promieniowania laserowego z rnetalami // Materialy Konferencji PAN STOP - Gliwice. - 1988,- str. 181-182.

4. Kulig A., Pasternak J., Kuzma M. Warunki obrobki materialow syntetycznych promieniovvaniem laserowym // Materialy Konferencji Fizyka dla Przemyslu. - Gliwiee. - 1988. - str. 63-64.

5. Kuzma M. Fizyczne podstawy laserowego hartowania stali //

"Przemiany strukturalne w stopach odlewniczych. Teoria i efekty uzytkowe".-Materialy IV Sympozjum Naukowego.- Rzeszow.-1989,-str. 153-163. ' '

6. Adamiak S., Bylica A., Kuzma M. Struktury liartowania laserowego stali narzedziowej SW7M // Materialy III Sympozjum Techniki Laserowej. - Szczecin. - 1990. - str. 219-222.

7. Szeregij E.M., Ugrin J.O, Virt I.S., Abeynayake C., Kuzma M. Influence of high-power laser beam on electrophysical and photoelectrical properties of epitaxial films of Cd xHgx_xTe (x=0,2)// SPIE. Laser Technology ill. - 1990. - vol. 1391. - pp. 199-203.

8. Kuzma M., Gajdek M. Rentgenowska analiza struktury. stali narzedziowej po laserowym przetopieniu // „Tendencje rozwojowe w teclmologii maszyn".- Materialy VI Ogolnopolsldej Konferencji Naukowo-Technicznej. - Zielona Gora. - 1990,- str. 197-201.

9. Wirt I., Szeregij E., Ugrin J., PociaskM., Abeynayake C, Kuzma M. Wplyw promieniowania laserowego o duzej mocy na elektroiizyczne i

fotoelektryczne wlasnosci CdxHgx_xTe // Materialy III Sympozjum Tecliniki Laserowej. - Szczecin. - 1990. - str. 232-234.

10. Bylica A., Adamiak S., Kuzma M. Struktury haitowania laserowego

w stopach zelaza z weglem // Materialy Ogolnopolsldej Konferencji Obrobka Powierzclmiowa. - Czestcciiov/a. - 1990. - str. 95-100. .

11. Bylica A., Adamiak S., Kuzma M. Elements of laser perfection of armco-iron and steel 15 // Proc. of Int. Conf. „ Physics for Industry-Industry for Physics”. - Cracow. - 1990. - Poland.- pp. 254-255.

12. Bylica A., Adamiak S., Kuzma M. Structures of laser hardening of high-speed steel SW7M // SPIE. - 1990. - vol. 1391. - pp. 382-386.

13. Bylica A., Adaraiak S., Kuzina M. Struktury stopow zelaza z weglem po hartowaniu laseiowym // Mechanik. - 1991. - nr 7. - str. 255-256.

14. Kuzma М., Abeynayake C., Sheregii E., Virt I. Influence of high power laser beam on physical properties of epitaxial films of CdxHgx_xTe (x=0.2)// Acta Phys. Pol. A. - 1991,- vol. 80,- pp. 475-479.

15. Bylica A., Adamiak S., Kuzma M. Krystaliza^ja stali po lasercwym przetopieniu // Materialy XXXI Konferencji Krzepniecie i Krystalizacja Metali. - Szczyrk- Bila. - 199 L- str. 225-226.

16. Bylica A., Kuzma М., Gorka A, Czajka W. Struktura stali szybkotnacych SK5MC i SW7M po obrobce laserowej // Inzynieria Materialowa. - 1991, - nr 2 . - str. 27-30.

17. Bylica A., Kuzma М., Polit J., Stefaniuk I. X-ray controlled hardening of steel by laser treatment // Proc. of Int. Conf. "Physics for Industry, Industry for Physics". - Krakow. -1991,-Poland.-pp. 190-191.

18. Kuzma М., Pociask М., Sheregii E., Wirt I. The control over the process of high power laser beam treatment of photoresistors//Proc. of Int. Conf. "Physics for Industry, Industry for Physics". - Krakow. -1991. - Poland. - pp. 183-184.

19. Kuzma M. Rola fononow w laserowym domieszkowaniu stali il "Laserowa Obrobka Metali i Polprzewodnikow". - Materialy Sympozjum Naukowego. - Rzeszow. - 1992. - str. 120-123.

20. Kuzma М., Abeynayake C., Szeregii E. Ugrin Y., Virt I., Electrophysical and photoelectrical properties of epitaxial films of CdxHgx_xTe (x=0,2) after laser treatment // Can. J. Phys.- 1992. -vol.70. - , Nr 5. - pp. 357-360.

21. Вирт И.С., Кузьма М., Шерегий Е.М., Шкумбатюк П.С. Твердофазное лазерное легирование монокристаллов

CdxHgUxTe //Физ. и Тех. Поллупр,- 1992- т.26. - в.4,- С. 562-565.

22. Валь А., Кузьма М., Поцяск М., Шерегий Е.М. Распределение концентрации ртути при импульсном лазерном отжиге CdxHgx_xTe И Физ. и Тех. Полупр.- 1993 - т.27.- в.4,- С. 622-627.

23. Kuzma М., Pociask М., Sheregii Е. Sterowanie rozkladem domieszek wewnatrz materialu polprzewodnikowego metoda laserowego

wvgrzewania // Materialy IV Symposium Technologii Laserowej. -Szczecin-Swinoujscie . -1993. - str. 220-222.

24. Bylica A., PolitJ., Stefaniuk I., Kuzma M. Wytwarzanie warstw wzbogaconych w SiC w stali metoda laserowej obrobki// Materialy IV Symposium T echnologii Laserowej. -Szczecin-S winouj scie. -1993. -str.223-224.

25. Kuzma M., Pociask M., Sheregii E. Unexpected results of computer simulation of the process of laser annealing in Cd Hg Te // Abstracts of the 13 General Conference of the Condensed Matter Division European Physical Society. - Regensburg. - 1993,-FRG.- p.

26. Sheregii E., Kuzma M., Abeynayake C., Pociask M. Creation of p-n Junctions in CdxHgl_xTe (x ~ 0.2) by Laser Annealing without melting // Abstracts of the XXII International School on Physics of Semiconducting Compounds.- Jaszowiec.- 1993,- Poland.- p.71.

2 7. Ciach R., Faryna M., Pociask M., Kuzma M., Szeregij E. Bezposredni dowod segregacji Hg po laserowym wygrzewaniu Cd xHgx_xTe // Materialy V Sympozjum Naukowego Przemiany strukturalne w stopach odlewniczych .- Rzeszow .- 1993 - str. 295-300.

28. Kuzma M.Fraktalny charakter dyfuzji domieszek w krysztalach // Materialy V Sympozjum Naukowego Przemiany strukturalne w stopach odlewniczych .- Rzeszow.- 1993,- str. 301-306.

29. Kuzma M., Pociask M., Wal A., Sheregii E., Smela J. Simulation processes of laser annealing of CdxHgx_xTe // Modeling Simul. Mater. Sei. Eng.- 1994,- vol. 2 .- pp. 329-336.

30. Ciach R., Faryna M., Kuzma M., Pociask M., Sheregii E. Segregation of impurities and defects in Cd xHg_xTe by laser annealing // Thin Solid Films.- 1994,- vol.24l.- pp. 151-154.

31. Sheregii E., Abeynayake C., Virt I., Kuzma M. Creation of p-n hete-roj unction in CdxHgK_xTe (x=0.2) by laser annealing//Abstracts of the V int.Conf. on High Power Lasers and Laser Applic.- Wien.- 1994,- p. 16.

32. Kuzma M., Pociask M., Sheregii E. Simulation of diffussion processes in semiconductors in the presence of high-power laser beam // Abstracts of the V Int. Conf. on High Power Lasers and Laser Applications.- Wien.- 1994,- Austria.- p. 16.

33. Kuzma M. Zastosowanie promieniowania laserowego do segregacji domieszek vv polprzewodnikach Cd xHgx_xTe 11 „Laserowe Technologie Obrobki Maîerialow".- Materialy VIII Krajowej Szkoly Optoelektroniki.- Gdansk.- 1994,- six. 207-214.

34. Kuzma М., Pociask М., Szeregij E. Symulacja dyfuzji wegla w stalach podczas laserowego hartowania // Materialy П Sympozjum Wplyv; obrobki laserowej na wlasciwosci materialow. -Rzeszovv.-■ Ï 994. -sir. 131 -136.

35. Bylica A., Polit J., Stefaniuk I., Adamiak S., Kuzma M. Rentgenograficzna analiza stopow Fe-C poddanych obrobce laserowej // Materialy II Sympozjum Wplyw obrobki laserowej na strukture i wlasciwosci materialowRzeszow.- 1994,- sir. 143-151.

36. Bylica A., Polit J., Stefaniuk I., Kuzma M. Rentgenograficzna analiza weglikow w stali SW7M po laserowym wtopieniu domieszek // Inzynieria Materialowa.- 1994,- Nr 5,- str. 117-120.

37. Kuzma М., Pociask М., Sheregii E. Efekt segregacji rteci po laserowym wygrzewaniu Cdx Hgx_x Te //Elektronika- 1994.-Nr 4.- str. 9 - 11.

38. E.Sheregii, M.Kuzma, C.Abeynayake, M.Pociask, Creation of p-n Heterojunctions in CdxHgx_xTe (x ~ 0.2) by Laser Annealing, // Can. J. Phys.- 1995,- v. 76,- Nr 1. pp. 174-176.

39. KuzmaM. Periodic distribution of components in CdxHgx_xTe caused by laser treatment// Optoelectr. Review.- 1995,- Nr 3-4,- (in print)

40. CiachR., FarynaM., Kuzma М., Pociask M. and Sheregii E. Oscillations of the Composition of Cd xligx_xTe Solid Solution After Laser Annealing // J. Crystal. Solids.- 1995,- (in print).

41. Kuzma М., Sheregii E., Wisz G., Gorbatch T.Y., Smertenko P.S., Svechnikov S.V. Deposition of HgCdTe Epitaxial Layers on Anisotropically Etched Silicon Surfaces by Laser Evaporation // Surface Science.- 1995,- (in print).

42. Кузьма М.,Поцяск М.,Шсрепй С.ДСемпник В., Фарина М.,Цях Р. Еффект сегрегации ртути при импульсном лазерном отжиге CdxHgx_xTe 1/Фт. и Тех.Полупр,- 1995.- 29.- в. 8.- С. 1483-1487.

Кузьма Марьян. Диффузионные модели лазерного отжига полупроводниковых и металлических твердых растворов.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физикоматематических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диєлектриков. Львовский государственный университет, Львов, 1996.

Защищается 42 научных работ, в которых предложено комплексное описание процессов диффузии при лазерном отжиге полупроводниковых и металлических твердых растворов (CdHgTe, F-C), а также его експериментальная верификация. Разработано метод численного моделирования диффузии ртути в CdHgTe во время лазерного отжига, обнаружен еффект сегрегации ртути, подтверждений! експериментально. Стот еффект обьясняет получение р-п гетеропереходов путем лазерного отжига в CdHgTe. Для случая исходного неоднородного материала (р-CdHgTe с «-кластерами, поликристаллические твердые растворы F-C) применена модель диффузии с ограниченного источника объясняющая ряд наблюдаемых еффектов.

Kuzma Marian. Diffusion models of laser annealing of semiconductor and metal solid solutions.

Thesis on search of scientific degree of doctor of physical and mathematical sciences, speciality 01.04.10 - semiconductors and dielectrics physics. Lviv StateUniversity. Lviv. 1996.

42 scientific papers presents a systemic description of diffusion processes emerging during laser annealing of semiconductor and metalic solid solutions (CdHgTe, Fe-C) as well as its experimental verification.Numerical simulation of the mercury diffusion in CdHgTe during laser annealing has been developed, an effect of mercury segregation has been found and confirmed experimentally. This effect explains the creation of p-n hetero-and homojunctions in CdHgTe by laser annealing. A model of diffusion from a limited source explaining a number of observed effects has been applied in the case of original nonhomogeneous materials (р-CdHgTe involving n -clusters, Fe-C polycristalic solid solutions).

Ключові слова: лазерний відпал, дифузія ртуті в CdHgTe, дифузія вуглецю в F- С, р-n переходи, конценраційні профілі, числове моделювання.