Лазерно-индуцированная модификация приповерхностных слоев CdTe и CdHgTe тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ргБ 0й

г 1 и московский государственный университет

'11 5 имени М.В.ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИМ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 621.315.592

ГОЛОВАНЬ ЛЕОНИД АНАТОЛЬЕВИЧ

ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННАЯ МОДИФИКАЦИЯ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ С(1Те и Сс1^Те

Специальность 01.04.10 — физика полупроводников и. диэлектриков

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва — 1997

Работа выполнена на кафедре общей физики и молекулярной электроники физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор П.К.Кашкаров,

кандидат физико-математических наук ' В.Ю.Тимошенко. Научный консультант: доктор физико-математических наук Н.Г.Чеченин.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Н.И.Коротеев,

кандидат .физико-математических наук В.В.Ушаков.

Ведущая организация: Институт общей физики Российской академии наук

Защита диссертации состоится - 22 " /^ОЯ 1997 г. в 46.го часов на заседании Специализированного Совета № 2 ОФТТ (К 053.05.20) в Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, г. Москва, Воробьевы горы, МГУ, физический факультет, аудитория 2- 05 кЮЦО£&ЧНО % О /^©¿г/ту

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического _ факультета МГУ.

Автореферат разослан " СКПрО. ЛЯ 1,997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета № 2.ОФТТ (К 053.05.20) МГУ им. М.В.Ломоносова доктор физико-математических наук профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Импульсное лазерное облучение (ИЛО) полупроводников представляет большой интерес как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. Воздействие лазерного импульса на поверхность полупроводника вызывает значительное отклонение от состояния термодинамического равновесия. Энергия лазерного импульса первоначально запасается электронной системой полупроводника и в дальнейшем передается кристаллической решетке, вызывая ее нагрев. При достаточной энергии лазерного импульса происходит плавление приповерхностных слоев кристалла, которое зачастую сопровождается интенсивным испарением с поверхности. Последующее быстрое затвердевание расплава также является неравновесным процессом.

ИЛО, отличающееся локальностью и кратковременностью воздействия на материал, является уникальным инструментом направленной модификации свойств полупроводника. Известны применения данного процесса для отжига ионно-легированных слоев, формирования полупроводниковых слое в на подложках, создания омических контактов.

Настоящая работа посвящена изучению лазерно-индуцированных явлений в Сс1Те и Сс1хН^].хТе. Данные полупроводники принадлежат к числу важных материалов современной оптоэлектроники. Теллурид кадмия используется для создания солнечных элементов, электрооптических модуляторов, приемников жесткого излучения, а также в качестве подложки для роста слоев Сс1х1-^1_хТе, Твердый раствор СёхН21.хТе находит широкое применение для изготовления приемников инфракрасного излучения,

чувствительных в окнах прозрачности атмосферы 3 - 5 и 8 - 14 мкм.

К числу особенностей Сс1Те и СйР^Те относятся большая, чем у материалов групп и АШВ\ степень ионности и сильное электрон-фононное взаимодействие. Важными для ИЛО свойствами данных материалов являются сравнительно низкие величины теплопроводности и теплоемкости. Эти особенности могут стать причиной протекания лазерно-индуцированных процессов, отличных от наблюдавшихся при лазерном воздействии на полупроводники к1у и

Исследование плавления и модификации дефектов при ИЛО СйТе и Сс^Н^.Де проводится с начала 80-ых годов. Однако, в отличие от полупроводников групп А1У и АШВУ, особенности лазерного воздействия на СсГГе и Сс1хН§1_хТе к моменту постановки настоящей работы были изучены явно недостаточно. Результаты исследований во многом носили ограниченный, несистематический характер. Прежде всего было неизвестно точное значение плотности энергии лазерного импульса, при котором начинается плавление поверхности (порог плавленая \Ут). Между тем, очевидно, что ИЛО с плотностями энергии < \Уп, и > может инициировать совершенно различные процессы в приповерхностных слоях полупроводника.

Литературные данные о лазерно-индуцированных модификациях состава и рекомбинационных свойств приповерхностных слоев этих материалов содержат существенные противоречия. Невыясненным оставалось распределение дефектов по глубине. Практически не было исследовано изменение электрических свойств приповерхностных слоев и

образование электрически активных дефектов. Крайне мало внимания уделялось вариациям оптических свойств CdTe и CdHgTe в результате лазерного воздействия.

В связи с вышесказанным были поставлены следующие задачи:

— Экспериментально и с помощью численного моделирования определить пороги плавления CdTe и CdHgTe. Проанализировать динамику лазерного плавления данных соединений.

— Изучить изменения состава приповерхностных слоев CdTe и CdHgTe в результате лазерного воздействия. Получить профили распределения по глубине концентраций компонентов в облученном материале.

— Исследовать процесс образования дефектов при ИЛО, контролируя дефектообразование по изменению структурных, оптических и рекомбинационных свойств CdTe и CdHgTe.

Для решения поставленных задач был использован комплекс методов. Определение порога плавления осуществлялось методом генерации второй гармоники (ВГ). Динамика плавления образца контролировалась с помощью регистрации коэффициента отражения с временным разрешением. Для исследования изменений в составе соединений был использован метод резерфордовского обратного рассеяния (POP). Образование структурных дефектов изучалось с помощью резерфордовского рассеяния в сочетании с каналированием ионов (РОРКИ) и генерации ВГ. Образование электрически активных дефектов фиксировалось методом фотоотр.ажения. Для исследования влияния ИЛО на рекомбинационые свойства CdTe и CdHgTe применялись методы фотолюминесценции (ФЛ) и фотопроводимости (ФП).

Научная новизна. В результате исследования импульсного лазерного воздействия на кристаллы Сс1Те и Сё^Те выявлен ряд важных закономерностей процесса лазерно-индуцированной модификации свойств этих полупроводников:

1. Впервые с помощью расчета тепловых полей при ИЛО определены такие характеристики фазового перехода плавления в Сс1Те и Сс1Н£Те, как значения порогов плавления, толщины расплавленных слоев и скоростей рекристаллизации.

2. Впервые экспериментально с использованием методов нелинейной оптики установлены значения порогов плавления \Ут Сс1Ге и Сс1Н2Те при ИЛО. Получены новые данные о динамике лазерно-индуцированных фазовых переходов в изучаемых материалах, в том числе о кипении расплава СсГГе.

3. Показано, что в результате ИЛО с¥> \Ут происходит обеднение приповерхностных слоев СсГГе и Сс1Н§Те легколетучими компонентами (ртутью в случае Сс1^Те, кадмием в случае СсГГе). Определены распределения концентрации компонентов по глубине кристалла.

4. Установлено, что облучение лазерными импульсами с плотностью энергии XV < не вызывает заметных изменений структурных свойств исследуемых полупроводников. Зафиксирована генерация как точечных, так и протяженных дефектов в СсГГе и Сс1Н§Те при лазерном воздействии с№>

5. Обнаружено, что лазерно-индуцированное дефектообразование в Сс1Те и Сё^Те проявляется в модификации электрических, оптических и

рекомбинационных свойств приповерхностных областей исследуемых материалов.

Автор защищает

1. Новые данные о процессах лазерно-индуцированного плавления поверхности Сс1Те и СсЗ^Те.

2. Новые данные об изменении в результате ИЛО распределений концентрации компонентов по глубине изучаемых материала.

3. Новую информацию о распределении точечных дефектов по глубине в приповерхностных слоях облученных кристалллов Сс1Те и Сс1НдТе.

4. Вывод о лазерно-индуцированной модификации оптических, электрических и рекомбинационых свойств приповерхностных слоев Сс1Те и СсЗНеТе.

Практическая ценность. Полученные в работе данные характеризуют лучевую стойкость Сс1Те и СёНдТе. Они могут быть использованы для направленной модификации свойств обоих материалов с помощью ИЛО. В связи с этим важное значение имеют результаты детального изучения особенностей лазерно-индуцированного плавления, а также распределения компонентов в облученном материале. Новая информация об изменении рекомбинационных характеристик Сс1Те и Сс1хН§1_хТе полезна при разработке оптоэлектронных приборов на основе данных материалов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на XV Международной конференции по _ когерентной и нелинейной оптике (С.-Петербург, 1995), XXVI Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами

(Москва, 1996) и конференции молодых ученых по лазерной физике и теории нелинейных волн (Москва, 1996).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, список которых приведен в автореферате.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из ведения, четырех глав, основных выводов и содержит 186 страниц текста, 2 таблицы, иллюстрирована 60 рисунками. Список цитируемой литературы включает 92 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, поставлены задачи исследований, дан анализ научной новизны полученных результатов и их практической ценности.

Первая глава является обзором литературы. В ней содержится информация о физических свойствах СйТе и Сс1хН§1.хТе (§ 1.1). Обсуждаются процессы реласакции энергии наносекундного лазерного импульса, поглощенного в приповерхностной области полупроводника (§ 1.2). Далее критически анализируются имеющиеся в литературе данные о лазерно-индуцированном плавлении (§ 1.3) и дефектообразовании (§ 1.4) в данных материалах. В конце главы (§ 1.5) сделаны выводы из обзора литературы и сформулированы задачи исследования.

Во второй главе дано описание используемых образцов и изложена методика эксперимента. Определение порога плавления полупроводников проводилось методом генерации второй гармоники (ВГ) на поверхности

образца. Контроль за лазерно-индуцированными фазовыми переходами осуществлялся также с помощью регистрации коэффициента отражения с временным разрешением. Особенности дефектов, возникших в результате лазерного воздействия на С(1Те и Сс1Н£Те, изучались методами резерфордовского обратного рассеяния (включая каналирование ионов), генерации ВГ, фотоотражения (ФО), фотолюминесценции (ФЛ) и фотопроводимости (ФП).

Лазерное воздействие на СсГГе и Сс1о,2зН£о,77Те выполнялось импульсами многомодового излучения рубинового лазера ОГМ-40 = 694 нм, т = 20 не). ИЛО СсЗТе проводилось при Т = 300 К в воздухе и в вакууме, ИЛО Сс1о,2зН£Го,77Те — при Т = 100 К в вакууме. Для получения однородного и неполяризованного излучения использовались кварцевые гомогенизаторы. В ряде экспериментов лазерное облучение Сёд^э^о^Те осуществлялось импульсами УАО:Ш- лазера (Я. = 1064 нм, х = 10 не) при Т = 300 К.

Измерения коэффициента отражения /? с временным разрешением проводились с помощью зондирующего пучка непрерывного Аг+-лазера (X = 488 нм). Отраженный от поверхности сигнал несет информацию о слое полупроводника.толщиной порядка глубины поглощения а"' (X = 488 нм), которая составляет 80 нм для СсГГе и 25 нм для Сс^г^о.вТе. Для регистрации отраженного пробного луча и контроля лазерного импульса применялись быстродействующие фотодиоды ЛФД-2А и ФД-271. Наряду с динамикой изменения Я в процессе ИЛО измерялся также постоянный

уровень интенсивности отраженного света, пропорциональный величине стационарного коэффициента отражения.

В наших экспериментах по определению порога плавления для генерации второй гармоники (ВГ) использовался тот же лазерный импульс, которым осуществлялось ИЛО. Облучение СсГГе проводилось импульсами рубинового лазера ОГМ-4С) (X = 694 нм), облучение С(Ш^Те — импульсами УАО:Ш-лазера (Л. = 1064 нм). Помимо сигнала ВГ с поверхности образца, измерялся опорный сигнал ВГ, формируемый в кристалле-удвоителе частоты отведенной частью излучения импульсного лазера. Сигнал ВГ, а также опорный сигнал регистрировались фотоэлектронными умножителями ФЭУ-136. Величина порога плавления фиксировалась по падению сигнала ВГ, нормированного на величину опорного сигнала. Данный метод предоставлял информацию о слое толщиной ~ а (2со), что в наших условиях составляло 20 нм для Сс1Те и 30 нм для С(]о,29Н§о,71Те.

Данные о структурной модификации Сс1Те при ИЛО были получены также с помощью регистрации поляризационной зависимости сигнала ВГ. Накачка ВГ осуществлялась цугом пикосекундных импульсов УАС:Ш-лазера с пассивной синхронизацией мод (А. = 1064 нм, т = 40 пс, длительность цуга 40 не) * .

Исследования методами ФО и ФЛ проводились на установке, созданной на основе автоматизированного спектрометра СДЛ-2. При

" Эксперимент по регистрации поляризационной зависимости ВГ был проведен в Лаборатории нелинейной оптики поверхности кафедры общей физики и волновых процесов физического факультета МГУ.

регистрации ФО образец освещался излучением температурной лампы накаливания, из которого с помощью монохроматора МДР-23 вырезался узкий спектральный интервал. Для модуляции коэффициента отражения использовалось излучение He-Ne - лазера (А. = 633 нм) с интенсивностью I = 20 мВт/см2, механически прерываемое с частотой 500 Гц. Вариации отраженного сигнала регистрировались фотодиодом. Сигнал ФО измерялся фазочувствительным нановольтметром Unipan 232В. Эксперименты проводились при Т = 300 К.

Для возбуждения ФЛ использовался He-Ne- лазер (X = 633 нм). Образец помещался в кварцевый криостат. Регистрация спектра ФЛ проводилась с помощью монохроматора МДР-23. и фотоэлектронного умножителя ФЭУ-62, работающего в режиме счета фотонов. Спектры ФЛ измерялись при Т = 80 и 300 К.

Стационарная ФП Cdo.23Hgo.77Te фиксировалась при Т = 100 К при возбуждении излучением непрерывных Аг+ - и He-Ne - лазеров ЛГН-503 и ЛГ-126 с X = 488, 633 и 1150 нм. Используемые излучения имели близкие интенсивности (~ 20 мВт/см2). Падающее на полупроводник излучение механически прерывалось с частотой 500 Гц. Сигнал ФП измерялся фазочувствительным нановольтметром Unipan 232В. Сигналы ФО, ФЛ и ФП регистрировались in situ непосредственно после ИЛО.

Лазерно-индуцированные изменения состава и распределения компонентов по глубине образца в приповерхностных слоях' CdTe и CdHgTe изучались методом резерфордовского обратного рассеяния (POP). Для исследования распределения концентрации дефектов в этих материалах

применялось POP в сочетании с каналированием ионов (РОРКИ) *. Использовались ионы Не+ с энергиями 1,4 - 1,9 МэВ. Совмещение в одной камере пучка ионов и луча импульсного лазера позволяло исследовать результаты лазерного воздействия in situ. Эксперимент проводился в вакууме при Т = 300 К. Распределения дефектов и компонентов в облученных материалах рассчитывались при помощи компьютерных программ для обработки спектров POP.

Третья глава посвящена расчетам тепловых полей в приповерхностных слоях CdTe и CdHgTe при воздействии наносекундных лазерных импульсов. Решалось одномерное уравнение теплопроводности. Разностная схема и используемые параметры приведены в § 3.1. Были получены зависимости температуры поверхности и толщины расплавленного слоя от времени при облучении импульсами рубинового лазера кристалла CdTe с исходными температурами Тд = 100 К и Tq = 300 К (§ 3.2), а также кристалла Cdo,2Hgo,sTe с исходной температурой То = 100 К. Аналогичные расчеты выполнены также для случая воздействия импульсами YAG:Nd- лазера на поверхность Cdo,29Hgo,7iTe (§ 3.3). Были определены пороги плавления Wm данных материалов при То = 100 и 300 К. Рассчитаны толщины расплавленных слоев и скоростей затвердевания в кристаллах CdTe и CdHgTe в зависимости от W.

В § 3.4 рассмотрена генерация ВГ на поверхностях CdTe и CdHgTe при ИЛО. Результаты выполненных расчетов свидетельствуют о том, что

* Эксперименты по POP проводились в Лаборатории взаимодействия излучения с веществом НИИЯФ МГУ под. руководством д. ф.-м. н. Н.Г.Чеченина.

при плотности энергии воздействующего лазерного импульса XV > Wm происходит падение сигнала ВГ, нормированного на Результаты

расчетов подтверждают возможность применения метода генерации ВГ для определения порога плавления материала.

В четвертой главе приведены результаты экспериментов по исследованию лазерно-индуцированных плавления и образования дефектов.

§ 4.1 посвящен экспериментальному определению значений порогов плавления Сс1Те и Сс1о,29Ндо,71Те методом генерации ВГ.

Предварительно были проведены контрольные эксперименты по облучению кристаллов 1пАэ и ваР импульсами рубинового лазера и 1пБЬ и ОзАб импульсами УАбгШ- лазера (п. 4.1.1). Для 1пАб и ГпБЬ, которые обладают фундаментальным поглощением на лазерного излучения, было обнаружено падение нормированных сигналов ВГ при V/ и \Уп„ где величины соответствуют известным из литературы значениям порогов плавления даннных полупроводников. Для йаР и ОаАБ, прозрачных для применяемого лазерного излучения, нормированный сигнал ВГ не изменялся с увеличением №. Эти результаты подтверждают применимость использованного нелинейно-оптического метода для определения порогов плавления в полупроводниковых кристаллах.

Развитый нами метод регистрации сигнала ВГ излучения, используемого для ИЛО, позволил впервые экспериментально определить значение порогов плавления для Сс1Те и Сс1о,29Н£о,71Те. .Порог плавления Сс1Те (То = 300 К) при облучении импульсами рубинового лазера составляет \Ут = 40±5мДж/см2. Значение \Ут для случая облучения Сс^оэ^о^Те

импульсами YAG:Nd - лазера также равнялось 40±5 мДж/см2. Экспериментально определенные величины Wm находятся в хорошем соответствии с результатами расчетов, полученными в §§ 3.2 и 3.3.

В § 4.2 приведены результаты экспериментов по регистрации динамики коэффициента отражения R(t) при ИЛО CdTe и CdHgTe. Для CdTe величина R возрастала при лазерном воздействии с 30 мДж/см2 > W> 90 мДж/см2, однако изменение R не превышало 40%. Такое увеличение коэффициента отражения на наш взгляд связано с нагревом и плавлением поверхности образца. При W > 90 мДж/см2 характер кинетики R(t) существенно менялся: появлялся "провал" между двумя максимумами в кривых R(t), одновременно уменьшалось максимальное значение коэффициента отражения. Мы связываем появление этого проЕала с диффузным рассеянием зондирующего излучения на поверхности CdTe, которое вызвано кипением расплава CdTe. Лазерное воздействие приводило также к изменению стационарного коэффициента отражения CdTe: при 40 мДж/см2 < W < 120 мДж/см2 заметно слабое (~ 5%) уменьшение величины R, при больших W происходило существенное падение коэффициента отражения, достигавшее 15% при W = 185 мДж/см2. Рост R связан, на наш взгляд, с нагревом и плавлением приповерхностного слоя. Возникновение "провала" в динамике R(t) указывало на кипение расплава.

Иные зависимости R(t) получены при ИЛО CdHgTe (п. 4.2.2). При W = 28 мДж/см2 становились заметны вариации коэффициента отражения R(t), которые усиливались с ростом W. При W > 30 мДж/см2 коэффициент отражения не возвращался к своему исходному значению. В

отличие от CdTe в кинетике изменения R(t) при ИЛО CdHgTe отсутствует характерный "провал". Стационарное значение R увеличивалось при ИЛО с W = 30 - 100 мДж/см2. Лазерное воздействие с плотностями энергии W > 100мДж/см2 приводило к падению коэффициента отражения, одновременно наблюдался рост диффузного рассеяния света от поверхности образца. То, что лазерно-индуцированные изменения коэффициента отражения CdHgTe начинаются при плотности энергии, меньшей, чем определенный при расчетах порог плавления, указывает на возможность протекания допороговых процессов при ИЛО CdHgTe. Отличие в кинетиках R(t) CdTe и CdHgTe, по-видимому, связано с более сложным композиционными изменениями в приповерхностных слоях последнего материала, происходящими при лазерном воздействии.

В § 4.3 приведены результаты исследования лазерно-индуцированной модификации состава приповерхностных слоев CdTe и CdHgTe с помощью метода POP. Изменение формы спектров POP CdTe начиналось при W > 100 мДж/см2. При этом становилось заметным обогащение приповерхностных слоев образца теллуром и обеднение их кадмием, что объясняется большей летучестью последнего. С помощью компьютерного анализа формы спектра POP было получено распределение компонентов по глубине z. По мере увеличения z относительная концентрация Те в облученном кристалле падает, а относительная концентрация Cd возрастает, на глубине ~ 10 нм они выходят на постоянные уровни соответствующих концентраций компонентов в необлученном кристалле CdTe.

Более сложный характер носит изменение композиционных свойств при ИЛО CdHgTe. Как свидетельствуют данные POP, основную роль в модификации состава также играет испарение легколетучих компонентов. Это выражается в обеднении приповерхностного слоя ртутью и обогащении его теллуром. Однако распределение компонентов после облучения носит немонотонный характер: концентрация ртути достигает своего минимума не на поверхности, а на некоторой глубине, что особенно заметно при W > 100мДж/см2. Подобное поведение относительных концентраций компонентов может быть связано с испарением и диффузией Hg в расплаве.

Результаты изучения дефектообразования в кристаллах методом РОРКИ изложены в § 4.4. Образование в CdTe дефектов — точечных центров рассеяния — было зарегистрировано методом РОРКИ при W > 50мДж/см2 (п. 4.4.1). С повышением плотности энергии лазерного импульса становится заметен и вклад протяженных дефектов. По данным РОРКИ были рассчитаны распределения концентраций лазерно-индуцированных точечных дефектов по глубине для различных W. Как оказалось, ИЛО с W> 80мДж/см2 приводит к смещению значительной части атомов (до ~ 50%) в приповерхностном слое из их регулярных положений. Толщины дефектных слоев составили 70 и 100 нм для плотностей энергии лазерного импульса W = 82 и 143 мДж/см2 соответственно.

Аналогичные измерения были проведены и в случае лазерного воздействия на CdHgTe (п. 4.4.2). Начиная с W = 70 мДж/см2, методом РОРКИ фиксируется образование структурных дефектов. Толщина

дефектного слоя для этой энергии составляет 30 нм. Дефекты проявляют себя преимущественно как точечные центры рассеяния, хотя при достаточно больших (W = 280 мДж/см2) плотностях энергии лазерного импульса становятся заметны и протяженные дефекты. Нами впервые были получены распределения концентрации дефектов ртутной подрешетки в облученном приповерхностном слое CdHgTe (рис. 4.20). Существующая корреляция между распределениями по глубине концентрации компонентов после ИЛО и концентрациями лазерно-индуцированных дефектов позволяет предположить, что к образованию дефектов приводит вариация состава по глубине в результате ИЛО.

Сведения о лазерно-индуцированной модификации приповерхностных слоев CdTe, полученные с помощью POP, дополняют результаты измерений методом генерации ВГ, которые приведены в п. 4.5.1. Как для исходных, так и для облученных с W < 120 мДж/см2 образцов зафиксированы одинаковые зависимости интенсивности сигнала ВГ от ориентации плоскости поляризации, характеризующиеся неизменной контрастностью. Это означает, что при ИЛО энергиями из данного диапазона приповерхностный слой кристалла CdTe остается монокристаллическим. Однако сигнал ВГ заметно падает при ИЛО с W> Wm, что обусловлено возникновением в приповерхностных слоях CdTe лазерно-индуцированных структурных дефектов, снижающих интенсивность ВГ.

Образование электрически активных дефектов в приповерхностных слоях CdTe в результате лазерного воздействия было зарегистрировано методом фотоотражения (п. 4.5.2). Изменения формы спектра ФО

фиксировались, начиная с плотности энергии лазерного импульса = 30 мДж/см2. С увеличением 'М наблюдалось заметное снижение амплитуды сигнала ФО. После ИЛО с > 60 мДж/см2 сигнал ФО имел вид, существенно отличный от исходного, его форма соответствовала случаю слабого поля. Это указывает на уменьшение изгиба зон на поверхности. Последнее может происходить при модификации параметров поверхностных состояний либо при генерации компенсирующих дефектов в приповерхностном слое.

§ 4.6 посвящен изучению лазерно-индуцированной модификации рекомбинационных свойств СсЛе и СсШ^Те методами фотолюминесценции и фотопроводимости соответственно. В п. 4.6.1 анализируется информация о фотолюминесцентных данных исходных образцов Сс1Те при Т = 80 и 300 К. В экспериментах использовались нелегированные монокристаллы р-типа проводимости с различными удельными сопротивлениями (образцы А и Б). При комнатной температуре образец А обладал интенсивной краевой линией, тогда как ФЛ образца Б при том же уровне возбуждения практически неразличима на фоне шумов, что свидетельствует о большом числе исходных дефектов.

Для обоих образцов в спектрах ФЛ, полученных при Т = 80 К, регистрируются две глубокие (/гкк 1,4 эВ и /¡V» 1,1 эВ) и краевая (/гкк 1,55 эВ) полосы. Кроме того, в спектре ФЛ образца А присутствует также линия И у = 1,52 эВ. При одинаковом уровне возбуждения у образца А интенсивность краевой полосы ФЛ выше, чем у образца Б, интенсивность полосы 1,4 эВ образца Б, напротив, превышает интенсивность ФЛ

соответствующей полосы образца А. Были также исследованы зависимости интенсивностей полос ФЛ от уровня возбуждения.

Результаты экспериментов по влиянию лазерного воздействия на ФЛ CdTe изложены в п. 4.6.2. ИЛО не привело к появлению новых линий ФЛ в интервале длин волн 750 - 1150 нм. В то же время было установлено, что вызванные ИЛО изменения сигнала ФЛ носят различный характер в зависимости от температуры, при которой регистрировалась ФЛ, и степени дефектности исходных образцов.

Обнаружено, что ИЛО с W > 30 мДж/см2 вызывает общее гашение сигнала ФЛ при Т = 300 К, что обусловлено генерацией дефектов, которые при комнатной температуре проявляют себя как центры безызлучательной рекомбинации или, что менее вероятно, как центры излучательной рекомбинации в длинноволновой (X > 1,15 мкм) области спектра. Лазерно-индуцированная генерация дефектов является надпороговой.

В случае регистрации ФЛ CdTe при Т = 80 К изменения интенсивности линий 1,55 эВ и 1,4 эВ немонотонно зависела от W. Лазерное воздействие на образец А с W = 80 мДж/см2 вызывало рост указанных полос. Дальнейшее увеличение плотности энергии приводило к гашению сначала краевой (1,55 эВ), а затем и глубокой (1,4 эВ) полос. Для двух других полос ФЛ наблюдалось лишь их гашение (вплоть до исчезновения) в результате ИЛО. Отмеченная немонотонная зависимость степени гашения ФЛ от W указывает на происходящую в' результате ИЛО конкуренцию процессов образования излучательных и безызлучательных центров. Иные результаты зафиксированы в случае образца Б: лазерное

воздействие с > 30 мДж/см2 всегда обуславливало падение

интенсивности всех полос ФЛ.

В п. 4.6.3. представлены результаты исследований лазерного воздействия на Сс!НдТе методом ФП. Лазерно-индуцированные падения сигнала ФП регистрировались при > 30 мДж/см2. С увеличением плотности энергии ИЛО вариации ФП возрастали и стремились к некоторому стационарному значению. Степень гашения ФП усиливалась с уменьшением длины волны возбуждающего света. Падение ФП свидетельствует о сокращении времени жизни неравновесных носителей заряда в результате дефектообразования. Большая степень гашения ФП, возбуждаемой более коротковолновым излучением, объясняется поверхностной локализацией возникающих дефектов. Выход сигнала ФП на стационарное значение с увеличением плотности энергии лазерного импульса, по-видимому, связан с вкладом носителей заряда, про диффундировавших в объем образца.

Итоговый анализ всех полученных данных проведен в § 4.7. Сделаны заключения об особенностях фазовых переходов в СсГГе и С(1Н£Те (п. 4.7.1), модификации состава С(1Те и С()Н£Те (п. 4.7.2) и дефектообразования в Сс1Те и С(1Н§Те (п. 4.7.3) под действием лазерных импульсов наносекундной длительности. Предприняты попытки определения природы ряда лазерно-индуцированных дефектов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Проведены расчеты тепловых полей в Сс1Те и СсШдТе при импульсном лазерном облучении. На основании результатов этих расчетов определены

такие характеристики лазерно-индуцированных фазовых переходов плавления, как пороги плавления, толщины расплавленных слоев и скорости рекристаллизации.

2. Экспериментально с помощью регистрации генерации второй гармоники в процессе импульсного лазерного облучения установлены величины порогов плавления \>/т СсГГе и СсИ^Те. Полученные значения У/га составили 40+5 мДж/см2, что находится в хорошем соответствии с результатами наших расчетов.

3. Методом регистрации коэффициента отражения с временным разрешением изучена динамика плавления Сс1Те и СсД^Те под действием лазерного импульса. Полученные данные свидетельствуют о протекании, наряду с процессами плавления и рекристаллизации в приповерхностной области, интенсивного испарения компонентов соединений.

4. Методом резерфордовского обратного рассеяния показано, что при лазерном воздействии с плотностями энергии, превышающими порог плавления, происходит обеднение приповерхностных слоев этих материалов легколетучими компонентами (ртутью в случае Сс11-^Те, кадмием в случае С(1Те). Рассчитаны распределения концентрации компонентов по глубине материала.

5. Методом каналирования ионов обнаружено, что облучение лазерными импульсами с плотностью энергии \У < не вызывает заметных изменений структурных свойств исследуемых полупроводников. Зафиксирована генерация как точечных, так и протяженных дефектов в приповерхностных слоях СсГГе и СсШ^Те при лазерном воздействии с!У>

\уга.

6. Показано, что данные о генерации второй гармоники от облученной грани СйТе свидетельствуют о сохранении в приповерхностном слое исходной кристаллической структуры вплоть до плотностей энергии лазерного импульса, втрое превышающих порог плавления

7. Изучена модификация оптических свойств Сс1Те и Сс1Ь^Те в результате лазерного воздействия. Обнаружен заметный рост стационарного коэффициента отражения С(ШдТе после лазерного облучения с плотностями энергии вблизи и выше порога плавления данного материала.

8. Установлено, что лазерно-индуцированные дефекты в СсГГе и Сё^Те изменяют напряженность электрического поля в приповерхностной области и участвуют в рекомбинации неравновесных носителей заряда. Лазерное воздействие с надпороговыми плотностями энергии приводит к генерации в приповерхностном слое Сс1Те дефектов, которые проявляют себя при Т = 300 К как центры безызлучательной рекомбинации. Впервые в Сс1Те зарегистрировано лазерно-индуцированное образование дефектов, участвующих при Т = 80 К в излучательной рекомбинации. Немонотонная зависимость интенсивности полос фотолюминесценции при Т = 80 К от плотности энергии лазерного импульса свидетельствует о конкуренции процессов генерации центров излучательной и безызлучательной рекомбинации. Предпринята попытка определения природы этих дефектов.

Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в работах:

1.Golovan' L.A., Timoshenko V.Yu. Optica! Diagnostics of Laser Induced Melting and Defect Formation at Surface of Cadmium Telluride. // 15-th International Conference on Coherent and Nonlinear Optics. (St.Petersburg, June, 27'- July, 1, 1995), NTYn7, LO/ICONO' 95 Technical Program, p.74.

2. Головань Л.А., Тимошенко В.Ю., Кашкаров П.К. Лазерно-индуцированное плавление и образование дефектов в приповерхностной области теллурида кадмия. / / Поверхность. Физика, химия, механика. 1995, № 10, с.65-70

3. Головань Л.А., Кашкаров П.К., Тимошенко В.Ю. Исследование лазерно- и индуцированного плавления теллурида кадмия оптическими методами. /./ Письма в ЖТФ. 1995, т. 21, вып. 23, с. 26-29.

4. Golovan' L.A., Timoshenko V.Yu. Optical diagnostics of l^ser induced melting and defect formation at surface of cadmium telluride. / / Proc. SPIE, 1996, v.2801, p.255-262.

5. Головань Л.А., Перес Наварро А., Куликаускас B.C., Кашкаров П.К., Тимошенко В.Ю., Чеченин Н.Г. Структурные и композиционные изменения в кристаллах CdHgTe. / / ■ Тезисы докладов XXVI Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. / Под ред. проф. А.Ф.Тулинова. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1996, с. 100

6. Golovan' L.A., Timoshenko V.Yu. Laser-Induced Melting and Defect Formation in Cadmium Telluride.// Laser Physics, 1996, v.6, N 5, p.925-927.

ООП Физ. ф-та МГУ Зак. 254-100-97