Образование структур дефектов на поверхности полупроводников под действием мощного лазерного излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

московским государственный университет

имени м.в.ломоносова

<ч

✓

физическип факультет

На правах рукописи УДК 621.315.592

шлыков юрий геннадьевич

ОБРАЗОВАНИЕ СТРУКТУР ДЕФЕКТОВ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ МОЩНОГО ЛАЗЕРНОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 01.04.10 Физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат диссертации па соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва -1997

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

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор В.И. Емельянов

доктор физико-математических наук, профессор П. К. Кашкаров

доктор физико-математических наук, Н.Г. Чеченин

кандидат физико-математических наук, В.Н. Семиногов

Ведущая организация: Московский Технический Университет Связи и

Информатики.

, "

Защита диссертации состоится " " 1997 года в '■■Ь на

заседании диссертационного совета N2 2 Отделения физики твердого тела (К053.05.20) Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899, ГСП, Москва, Воробьевы горы, МГУ, физический факультет, криогенный корпус, аудитория 2-05.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке физического факультета

МГУ.

Автореферат разослан А- " 1997 года

Ученый секретарь диссертационного совета № 2 ОФТТ (К053.05.20) МГУ им. М.В. Ломоносова доктор физико-математических наук / Г.С.Плотников

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

В последнее время возрастает интерес к изучению модификации свойств твердых тел под действием внешних потеков энергии {лазерного излучения и пучков частиц). Исследования в этой области стимулируются развитием микроэлектроники, а также потребностями промышленности в материалах с новыми, заранее заданными свойствами. Прогресс в этом направлении связан с детальным изучением свойств поверхности материалов и процессов взаимодействия с ними излучения с целью разработки методов их направленной модификации.

Одним из перспективных способов модификации свойств поверхности является лазерное облучение материала. К настоящему времени достигнут значительный прогресс в понимании физики лазерного воздействия на поверхность и накоплен обширный экспериментальный материал. Импульс к исследованиям в этой области был дан открытием эффекта импульсного . лазерного отжига. 'Изучение этого эффекта привело к обнаружению и интенсивному исследованию многочисленных новых явлений, стимулированных лазерным воздействием на поверхность, и приводящих к структурной модификации материала. Среди них: неоднородное плавление полупроводников, рекристаллизация аморфных полупроводников, образование когерентных и некогерентных поверхностных периодических структур, лазерное дефектообразование, модификация оптических свойств поверхности - пороговое по числу импульсов возгорание новых линий люминесценции, многоимпульсное оптическое повреждение поглощающих полупроводников и др.

Одним из универсальных эффектов, сопровождающих воздействие лазерного излучения на поверхность полупроводников, является генерация точечных дефектов. Механизмы лазерно-индуцированного образования дефектов в полупроводниках зависят от режимов облучения. В режимах до плавления генерация точечных дефектов определяется электронно-

деформационно-тепловым механизмом (ЭДТ) физическая суть которого состоит в следующем [1,2].

Релаксация лазерно-индуцированной плазмы свободных носителей в приповерхностном слое полупроводников приводит к нагреву решетки. Пространственно неоднородное распределение электронной плазмы и нагрев решетки приводят к сильной деформации приповерхностного слоя материала. Локализация свободных носителей вблизи имеющихся дефектов уменьшает энергию образования дефекта. Эти три фактора: локальное электронное возбуждение, нагрев и деформация приводят к увеличению скорости генерации дефектов. Особенно интенсивная генерация дефектов происходит на поверхности и в приповерхностном слое, вследствие сильной исходной дефектности и понижения значения энергии образования дефекта.

Возможны и другие режимы генерации дефектов, в частности, захват точечных дефектов при быстром отвердевании расплава, накачка вакансий при лазерно-индуцированном окислении, образование точечных дефектов при осаждении пленок, а также при лазерно-индуцированном травлении полупроводников и металлов. Плотное поле дефектов создается также при облучении твердого тела высокознергетическими пучками и при ионной имплантации.

При всех вышеописанных механизмах генерации концентрация дефектов может достигать очень больших значений порядка 10|9-10г1 см'3 (до 10% от числа атомов в кристалле). Следует ожидать появления различных коллективных эффектов в системе взаимодействующих точечных дефектов. При этом в определенных режимах на поверхности образуются либо периодические структуры дефектов, либо начинается пороговое образование протяженных дефектов (пор или дислокационных петель).

Для объяснения этих эффектов была предложена модель генерационно-диффузионно-деформационной неустойчивости (ГДДН) [3] физическая суть которой сводится к следующему. Дефекты, будучи упругими включениями, деформируют упругий континуум. С другой стороны, деформация упругого континуума приводит к появлению деформационно-

индуцированных потоков дефектов и (или) к модуляции скорости их образования благодаря перенормировке энергии образования дефекта. Эта связь концентрации дефектов и деформации описывается плотностью энергии взаимодействия, которая для изотропной среды или кристалла с кубической симметрией дается формулой

где и -вектор смещения среды $ = Ка* sigп(tf), К -модуль всестороннего

сжатия а -размер элементарной ячейки и ^■Ч1') = = +1 Выражение

для На автоматически определяет коэффициенты дефектно-деформационной связи в уравнении для вектора смещения среды и в граничных условиях для вектора деформации, а также в эффективном диффузионном уравнении для дефектов. Возникающая в результате дефектно-деформационного взаимодействия положительная обратная связь приводит при превышении определенной критической концентрации дефектов к развитию ГДЦН с образованию либо периодических дефектно-деформационных (ДД) структур, либо кластеров дефектов, автолокализованных в созданных ими же деформационных ямах. Возникшая ДД-неустойчивость стабилизируется благодаря энгармонизму упругого континуума.

Таким образом, многочисленные экспериментальные наблюдения и изучение образования периодических и локализованных структур при лазерном облучении ставят перед теорией задачу их последовательного списания.

Задачи исследования.

Построение нелинейной многомодовой теории образования поверхностных периодических дефектно-деформационных структур

Построение теории образования кластеров точечных дефектов.

Анализ экспериментальных данных на основе полученной теории.

Научная новизна. В результате теоретического исследования проведенного в диссертации были получены следующие новые результаты:

1. Построена нелинейная многоходовая теория образования дефектно-деформационных структур на поверхности полупроводников при. действии лазерного излучения.

2. Показано наличие двух порогов дефектно-деформационной неустойчивости

- При превышении 1-й пороговой концентрации дефектов возникает неустойчивость широкого спектра дефектно-деформационных мод.

- При превышении 2-й пороговой концентрации дефектов межмодовое взаимодействие приводит к схлопыванию спектра дефектно-деформационных мод в одну моду.

3. Развита нелинейная дефектно-деформационная теория образования кластеров точечных дефектов в твердых телах при действии внешних источников энергии.

4. Вычислена скорость кластерообразования и показано, что она является экстремальной функцией концентрации лазерно-индуцированных дефектов.

5. Построена модель многоимпульсного лазерного повреждения поверхности поглощающих полупроводников за счет механизма взрывного накопления точечных дефектов при наличии обратной связи через поле деформаций.

Автор защищает.

1. Нелинейную многомодовую теорию образования дефектно-деформационных структур на поверхности полупроводников при действии лазерного излучения.

2. Нелинейную дефектно-деформационную теорию образования кластеров точечных дефектов в твердых телах при действии внешних источников энергии.

3. Модель многоимпульсного лазерного повреждения поверхности поглощающих полупроводников за счет механизма взрывного накопления точечных дефектов.

Практическая ценность. Результаты данного исследования механизмов образования поверхностных структур дефектов могут использоваться при разработке методов направленной лазерно-индуцированной модификации и увеличения оптической стойкости поверхности полупроводников при действии лазерного излучения.

Апробация работы. По теме диссертации сделаны доклады на 2 Международном Семинаре "Структурно-морфологические основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий» (Обнинск, 1993) и Конференции Молодых Ученых по Лазерной Физике и Теории Нелинейных Волн (Москва, 1996)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, список которых приведен в автореферате.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, трех глав, Заключения и содержит 98 страниц текста 18 рисунков и список цитируемой литературы из 105 наименований

Содержание работы

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

Первая глава посвящена теоретическому исследованию образования периодических структур дефектов на поверхности кристаллов под действием лазерных импульсов.

В данной главе развита нелинейная многомодовая теория для поверхностной дефектно-деформационной нейустойчивости (ДДН), базирующаяся на модели "пленка на подложке". Суть этой модели состоит в следующем. Обогащенный дефектами поверхностный слой, имеющий отличные от основного объема упругие свойства, моделируется пленкой, жестко связанной с подложкой. Перераспределение дефектов вдоль пленки описывается нелинейным уравнением диффузии с учётом деформационно-индуцированных потоков. Деформация пленки описывается нелинейным

уравнением изгибной деформации. Путем разложения концентрации дефектов и деформации по фурье-компонентам, соответствующим изгибным модам пленки, были получены многомодовые нелинейные кинетические уравнения для амплитуд фурье-гармоник поля концентраций точечных дефектов с учетом межмодового взаимодействия. Эти кинетические уравнения описывают эффективные двойные и тройные взаимодействия мод концентрации дефектов, возникающие в результате адиабатического исключения деформации среды (изгибной деформации пленки и деформации подложки). Внешним контролируемым параметром системы является пространственно-однородная концентрация дефектов пм, создаваемая внешним источником.

В линейном приближении развитая теория ДДН дает пороговую концентрацию точечных дефектов по превышению которой система становится неустойчивой и происходит усиление мод (Д > о см. Рис.1). Величина пороговой пространственно-однородной концентрации дефектов, при которой возникает неустойчивость порядка 013 ст"3. В линейной теории период поверхностной образующейся ДД-структуры с/ определяется соотношением Л = , где дт- волновое число, при котором достигается

максимум зависимости инкремента X от волнового числа q (см. Рис.1)

Межмодовое взаимодействие может приводить к динамике развития ДДН различного типа с образованием различных типов результирующих структур. В Главе \ рассматривается простейший случай межмодовой динамики ДД систем: усиление мод при наличии дрейфа и диффузии в ц пространстве, описываемое скоростным уравнением с дрейфом и диффузией в q пространстве, выведенным из основного кинетического уравнения. Получено решение этого уравнения для амплитуд мод концентрации дефектов, которое предсказывает различное поведение вакансий и междоузлий в процессе самоорганизации. Для вакансий существует только один порог ДДН (когда инкремент X ДДН становится больше нуля) при превышении которого генерируются многомодовые

структуры. Число возникающих ДД-мод зависит от соотношения характерного времени и времени спектрального уширения, определяемого в нелинейной теории ДДН. (см. Рис.2)

В случае же междоузлий существует два порога: первый - порог возникновения ДДН (Я>0 см. Рис.1) и второй порог, когда коэффициент диффузии в ц пространстве становится отрицательным, что приводит к схлопыванию усиливаемого спектра в 8-функцию в модовом пространстве, а точке <7=Чт, где qm - значение волнового числа при котором достигается максимум зависимости инкремента Я = Х(ц) (см. Рис.1), т.е. генерируются одномодовые междоузельно-деформационные решетки. Окончательное число возникающих ДД-мод зависит от соотношения времени образования ДД-структуры Я~' и времени монохроматизации задаваемым ДДН теорией. Такое качественное отличие в поведении вакансий и междоузлий обусловлено различием двойных и тройных взаимодействий для этих двух типов дефектов, характерных для модели "пленки на подложке".

Полученные теоретические результаты использованы в Главе 1 для интерпретации экспериментальных данных по наведению кристаллографически ориентированных решеток на поверхности кремния под действием миллисекундных лазерных импульсов. Численные оценки для параметров ДД-структур (период, время образования, время схлопывания спектра мод), соответствуют экспериментальным данным. Таким образом на основании результатов полученных при изучении модели "пленка на подложке" в 1 Главе диссертации можно сделать вывод что одномодовые решетки, образующиеся на поверхности Б! под действием миллисекундных лазерных импульсов, появляются благодаря ДД-неустойчивости с участием междоузлий.

Вторая глава посвящена исследованию образования за счет ДДН протяженных дефектов на поверхности полупроводников.

В ней показано, что вследствие экранировки упругого взаимодействия дефектов рассматриваемого типа "с!" с дефектами другого типа кристалл разбивается на ячейки объемом 1/се„, внутри которых взаимодействие

дефектов типа "d" происходит независимо от других ячеек.

Вычислена свободная энергия отдельной ячейки как квазиравновесной, термодинамической системы с учетом энергии упругого ангармонического континуума, энергии взаимодействия дефектов с деформацией упругого континуума и изменения энтропии при переходе дефектов в ячейке в кластерное состояние. Зависимость вычисленной свободной энергии ячейки от пространственно-неоднородной концентрации дефектов (параметра порядка) при превышении критического значения пространственно-однородной концентрации nao (контролируемый параметр) представлена на Рис.3. Из Рис. 3 видно, что для того чтобы ячейка перешла из пространственно однородного состояния (Х=0) в пространственно неоднородное (X=Xm¡n) необходимо чтобы начальная флуктуация концентрации дефектов Дп(0) превосходила критическое значение (ndi)max=nd0Xmax, то есть необходимо преодоление энергетического барьера ДU.

Поэтому процесс нуклеации кластера дефектов в отдельной ячейке Vedi по механизму ДДН начинается лишь тогда, когда затравочная локальная флуктуация концентрации дефектов внутри ячейки превосходит определенное критическое значение. Таким образом, ДД-нуклеация кластера происходит как фазовый переход первого рода. Вычислена скорость нуклеации кластеров и показано, что она экстремально зависит от пространственно однородной концентрации дефектов (см. Рис.4) и температуры среды. Найдено распределение кластеров по размерам, оценены пороговая концентрация точечных дефектов, при которой начинается ДД-нуклеация, время образования и размер кластера.

На основе полученных теоретических результатов интерпретируются эксперименты по пороговому по числу импульсов возгоранию новой линии (Я = 840/im) люминесценции при облучении p-CdTe серией наносекундных лазерных импульсов в режимах предплавления. Экспериментально наблюдалось, что появление этой полосы коррелирует с ростом плотности дислокаций. Это дало основание предположить, что указанная полоса

обусловлена излучательной рекомбинацией на протяженных дефектах типа дислокационной петли. Поскольку люминесценция возбуждается в слое порядка длины диффузии носителей заряда, то измеренная в эксперименте интенсивность люминесценции пропорциональна плотности числа оборванных связей в дислокационных петлях, т.е. поверхностной плотности дефектов в кластерах, что и было рассчитано на основании теоретических исследований. Теория ДД-нуклеации кластеров качественно описывает пороговый характер эффекта возгорания новой линии люминеценции, а также уменьшение скорости роста интенсивности с возрастанием числа импульсов.

Как отмечено выше, причиной лазерно-индуцированной генерации периодических и локализованных ДД-структур, рассмотренных в Главах 1 и 2, является положительная обратная связь между пространственно-неоднородным самосогласованным полем деформации и пространственно-неоднородным полем концентрации точечных дефектов.

Такая обратная связь может возникнуть и между пространственно-однородным полем самосогласованной деформации и пространственно-однородным полем концентрации дефектов. В этом случае обратная связь в ДД-системе приводит, после превышения порога по интенсивности (или по дозе облучения) лазерного излучения к лавинообразному нарастанию концентрации дефектов и деформации во всем объеме взаимодействия излучения с веществом. Эта неустойчивость может приводить к пороговому по числу импульсов повреждению или разрушению оптического материала.

Идея о возникновении обратной деформационно-индуцированной связи при генерации дефектов высказана впервые в [4].

Исследованию ДД-неустойчивости в полупроводниках посвящена 3 Глава диссертации, где на её основе разработан механизм многоимпульсного лазерного разрушения (МЛР) поверхности сильно поглощающих полупроводников.

В главе 3 мы используем идею о накоплении точечных дефектов для развития модели МЛР в сильно поглощающих полупроводниках.

Предполагается термофлуктуационный механизм генерации точечных дефектов, с энергией образования дефекта, понижающейся за счет лазерно-индуцированного электронного возбуждения, нагрева, деформации и благодаря дефектно-индуцированной деформации. Последнее обстоятельство особенно важно для развитого ниже механизма Ш1Р, так как оно приводит к взрывному накоплению дефектов аналогично тепловому взрыву в экзотермических химических реакциях. Принципиальное отличие между этими двумя взрывными процессами лежит в природе обратной связи: в случае реакции она осуществляется через температурное поле, а в случае дефектов - через поле деформаций.

Основная идея предлагаемого механизма кумулятивного разрушения сильно поглощающих полупроводников заключается в следующем. Вследствие лазерного нагрева, лазерно-индуцированной деформации и понижения энергии образования благодаря локальному электронному возбуждению повышается концентрация дефектов в приповерхностном слое толщиной /)й=10'5 [1]. Скорость образования дефектов больше чем скорость рекомбинации так как равновесная концентрация, соответствующая уменьшенной энергии образования дефектов и повышенной температуре, много больше чем равновесная концентрация перед действием импульса. В промежутке между импульсами поверхность охлаждается практически до начальной температуры, потому что временной интервал между импульсами Л< много больше эффективного времени температурной релаксации. В то же время порожденные за импульс дефекты (вакансии или междоузлия) не успевают полностью исчезнуть из дефектно-обогащенного слоя за время между двумя последовательными импульсами. Поле дефектов увеличивает деформацию кристалла, что обуславливает эффективное снижение энергии образования дефектов Это приводит к более эффективной генерации их во время следующего импульса.

Неравенство дл^ - ЛЛ'„ > 0 представляет собой критерий начала накопления точечных дефектов: число дефектов, порожденных за время импульса д/V* должно быть больше числа дефектов, исчезнувших за время

между двумя последовательными импульсами АМт. Из критического условия А/У* = , было получено выражение для пороговой температуры нагрева (интенсивности облучения) кристалла во время импульса при превышении которой начинается накопление дефектов. Накопление дефектов становится лавинообразным благодаря наличию положительной обратной связи, что приводит к катастрофическому повреждению или разрушению материала.

В 3 Главе была получена зависимость порога повреждения кристалла от числа импульсов излучения и проведена интерпретация экспериментальных данных по МЛР поверхности кремния серией пикосекундных лазерных импульсов.

Основные результаты и выводы

1. Построена нелинейная многомодовая теория образования дефектно-деформационных структур на поверхности полупроводников при действии лазерного излучения.

2. Показано наличие двух порогов дефектно-деформационной неустойчивости

- При превышении 1-й пороговой концентрации дефектов возникает неустойчивость широкого спектра дефектно-деформационных мод

- При превышении 2-й пороговой концентрации дефектов межмедовое взаимодействие приводит к схлопыванию спектра в одну моду и генерации монохроматической дефектно-деформационной решётки.

3. Совокупность экспериментальных данных по образованию решеток на поверхности кремния под действием миллисекундных лазерных импульсов (времена образования, период, динамика спектра мод) описываются на основе развитой теории поверхностной дефектно-деформационной неустойчивости.

4. Развита нелинейная дефектно-деформационная теория образования кластеров точечных дефектов в твердых тепах при действии внешних источников энергии.

5. Вычислена скорость кластерообразования и показано, что она является экстремальной функцией концентрации лазерно-индуцированных дефектов и температуры.

6. Экспериментальные данные по возгоранию новой линии (Л = 840пт) люминесценции при облучении p-CdTe наносекундными лазерными импульсами качественно описываются развитой теорией пороговой дефектно-деформационной нуклеации кластеров.

7. Построена модель многоимпульсного лазерного повреждения поверхности поглощающих полупроводников за счет взрывного накопления точечных дефектов, происходящего благодаря дефектно-деформационной обратной связи.

8. Проведена интерпретация экспериментальных данных по многоимпульсному повреждению поверхности кремния пикосекундными лазерными импульсами.

Цитируемая литература

1. Emel'yanov V I., Kashkarov Р.К ,Laser Induced Defect Formation in

Semiconductors, WAppl. Phys.,A, 1992, v.55, pp. 161-167

2. Кашкаров П.К., Тимошенко В.Ю., Дефектообразование в полупроводниках под действием импульсного лазерного облучения поверхность Физика, химия, механика, 1995, №5, с.5-34

3. Emel'yanov V.I., Generation-Diffusion-Deformational Instabilities and Formation of Ordered Defect Structures on Surfaces of Solids under the Action of Strong Laser Beams, WLaser Physics, 1992, v. 2, 4, pp.39CM80

4. Manenkov A.A. at a!, WOptica! Engeneering, 19B3, v.22, p.401

Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в следующих работах:

1. Володин Б.Л., Емельянов ВН., Шлыков Ю.Г. Взрывное накопление точечных дефектов как механизм многоимпульсного разрушения поглощающих сред. \\ Квантовая электроника, 1993, Т.20, 1, С.57-60

2. Emel'yanov V.I., Shlykov Yu.G. The Nonlinear Multimode Theory of Defect Deformational Ordered Surface Structures Generation by Strong Laser Beams. \\ Laser Physics, 1994, v.4, 1, pp.1-15

3. Емельянов В.И., Шлыков Ю.Г. Генерзционно-деформационнс-диффузионные неустойчивости и образование поверхностных периодических структур дефектов под действием энергетических пучков. \\ Тез. докладов семинара "Структурно-морфологические основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий", Обнинск 1993,с.15

4. Емельянов В.И., Шлыков Ю.Г., Генерационно-деформационно-диффузионные неустойчивости и образование поверхностных периодических структур дефектов под действием энергетических пучков. \\ Известия Акад Наук, сер. физ., 1995, Т. 56, С. 1-30

5. Emel'yanov V.I., Shlykov Yu.G. Entropy Barrier of Diffusion-Strain Nucleation of Clusters of Point Defect in Laser-Irradiated Solids. \\ Laser Physics, 1996, v.6,4, pp.712-720

6. Шлыков Ю.Г. Энтропийный барьер и скорость диффузионно-деформационной нуклеации кластеров точечных дефектов при лазерном облучении твердых тел. V\ Тез. Докладов конференции молодых ученых "Хохловские чтения", Москва, МГУ, 1996, С.20

7.Емельянов В.И., Кашкаров П.К., Шлыков Ю.Г., Диффузионно-деформационная нуклеация кластеров точечных дефектов. Сравнение с экспериментом. \\ Препринт физического факультета МГУ, 1997г., № 15/1997, 14 с. (Вестник МГУ - в печати)

волнового числа д при различных значениях пространственно-однородной концентрацш дефектов пю: (а) пю<па^ ,(Ь,с,а) - пд0>пас, при переходе (а-ф пао возрастает_

/,(С"1 сск

Рис.2. Зависимость ширины спектра генерируемых поверхностных мод от времен! (концентрации дефектов), при различных начальных условиях и коэффициенте диффузии I д-пространстве: 0т>0 -сплошная линия, От<0 -штриховая линия.

Р(Х)

п

/

/

/

/

/

/

/

а /

/

/ -

/

/

/

/ ___

/ —-^б /

//

//

ди --т

1 1

Рис.3 Зависимость свободной энергии в ячейке \/сеЦ от относительной средней концентрации точечных дефектов в пространственно-неоднородной фазе. Качественная картина: а) <пл б) и,0 >пл

5

О

2

20

8И± 15 д1

юй с" 10

5

Рис.4 Зависимость скорости поверхностной нуклеации кластеров от пространственно-однородной концентрации дефектов.

я<ю, 10 см