При электронно-колебательном механизме генерации дефектов электронное возбуждение трансформируется в сильное колебательное возбуждение микроскопической атомной конфигурации, то есть как бы в локальный сильный нагрев. Такие процессы в полупроводниках происходят при безызлучательной рекомбинации носителей заряда на дефектах с глубокими энергетическими уровнями и в значительной степени аналогичны фотохимическим реакциям в многоатомных молекулах. Пояснить детали электронно-колебательного механизма можно рассмотрев конфигурационную диаграмму для некоторой атомной конфигурации, включающей центр безызлучательной рекомбинации.

Захват электрона из зоны проводимости полупроводника на указанный центр соответствует переходу от кривой I к кривой II (процесс 1-2 ) и перестройке конфигурации в положение с координатой Q2 . Последующий захват дырки (процесс 3-4 ) соответствует потенциалу I, но атомная система оказывается колебательно-возбужденной. Дополнительная энергия для преодоления потенциального барьера Есм и перехода в состояние с координатой Q1 может быть сообщена атомной конфигурации за счет тепловой флуктуации. При Есм - Еэв # 0 процесс идет атермическим путем. Расчет для алмазоподобных полупроводников приводит к соотношению для скорости генерации дефектов где R - темп рекомбинации неравновесных носителей заряда.

Электронно-колебательный механизм, по-видимому, является определяющим также при возбуждении электронной подсистемы полупроводника и за счет инжекции носителей заряда в (p-n)-переходе. Именно такими причинами многие исследователи объясняют деградацию полупроводниковых лазеров.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИЕ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ  ПРИ ИМПУЛЬСНОМ  ЛАЗЕРНОМ ОБЛУЧЕНИИ

Лазерное облучение кристаллов также является радиационным воздействием. В отличие от случая высокоэнергетических частиц (быстрых ионов и электронов, g - и рентгеновских квантов) энергия одного кванта относительно мала (hn © 1-4 эВ). Однако интенсивность излучения может быть весьма высокой (до 109 Вт/см2 и более), поэтому помимо электронного возбуждения, вызываемого световыми импульсами, необходимо учитывать и значительный нагрев поверхности облучаемого полупроводника. Если плотность энергии лазерного импульса W превышает определенный порог Wпл, поверхностный слой образца испытывает фазовый переход плавления.

Основными причинами генерации дефектов при наличии жидкой фазы являются диффузия неконтролируемых примесей с поверхности образца в расплавленный слой, а также нарушение стехиометрического состава этого слоя за счет интенсивного испарения одной из компонент в случае полупроводников сложного состава (А3В5, А2В6).

Существенно более интересными с физической точки зрения являются процессы генерации точечных дефектов при облучении лазерными импульсами допороговых энергий (W < Wпл). В отличие от рассмотренных выше случаев термофлуктуационного и радиационного механизмов при лазерном воздействии одновременно действует ряд факторов. Мы будем анализировать случай, когда реализуется фундаментальное поглощение световых квантов, то есть hn > Eg, и пусть длительность импульса составляет 10-30 нc. Это типичные условия проведения экспериментов по лазерному облучению полупроводников с использованием твердотельных рубинового (hn = 1,8 эВ) или неодимового (hn = 1,17; 2,34 эВ), а также газового эксимерного (hn = 4,0 эВ и более) оптических квантовых генераторов.

Многочисленные эксперименты, выполненные на Ge, Si, GaAs, GaP и других материалах, свидетельствуют о том, что в условиях допороговых энергий лазерного импульса (W < Wпл) возникают точечные дефекты. Подробное рассмотрение всех дефектообразующих факторов такого воздействия позволило выделить наиболее существенные из них: электронное возбуждение, деформация и тепло, поэтому соответствующая модель получила название электронно-деформационно-тепловой (ЭДТ) модели.

Итак, за один импульс наносекундной длительности генерируются электронно-дырочные пары с концентрацией до 1020 см - 3. В последующих процессах безызлучательной рекомбинации на центрах возможна реализация механизма снижения энергии образования новых дефектов, рассмотренного в предыдущем разделе.

Основное тепловыделение при лазерном воздействии происходит при термализации неравновесных носителей и решетки кристалла. Характерное время этого процесса ~10-12 с, то есть для наносекундных импульсов передача энергии от электронно-дырочной плазмы решетке происходит практически мгновенно в слое толщиной порядка глубины поглощения света. Далее за счет диффузии тепло распространяется на расстояние ~1-2 мкм.

Наконец, оба эффекта - электронное возбуждение и нагрев - вызывают деформацию поверхностного слоя. Действительно, увеличение концентрации свободных носителей заряда ведет в зависимости от структуры энергетических зон кристалла к увеличению (Ge, GaAs) или уменьшению (Si, GaP) межатомного расстояния а. Это известный фотострикционный эффект. Повышение температуры всегда обусловливает рост а. При лазерных уровнях облучения деформации весьма велики: Da / a достигает нескольких процентов. Для большинства твердых тел энергии образования как термофлуктуационных, так и радиационных дефектов ЕА и Еd падают при расширении решетки на величину Едеф.

С учетом одновременного действия перечисленных трех факторов энергия дефектообразования перенормируется:

E = Ecм - Eэв - Едеф. Процесс формирования дефектов, очевидно, носит закалочный характер. В пренебрежении возможным отжигом части дефектов в процессе остывания образца (скорость остывания ~109 К/с) стационарная концентрация центров после серии импульсов может быть представлена в виде где DT - лазерный нагрев.

В простейшем случае не зависящих от температуры теплофизических и оптических параметров полупроводника величины Едеф и DT оказываются пропорциональными плотности энергии лазерного импульса W и выражение (9) может быть приведено к виду, удобному для сравнения с экспериментом: где С1 , С2 , С3 - константы.

Экспериментальные зависимости для Ge и GaAs хорошо описывались формулой (10) при одном подгоночном параметре Есм - Еэв. Эта величина оказалась равной 0,1-0,2 эВ, что существенно ниже энергии ЕА при чисто тепловой генерации дефектов (см. раздел 2). Это, очевидно, свидетельствует в пользу определяющей роли электронного возбуждения кристалла при лазерноиндуцированном образовании дефектов.

Дальнейшее развитие ЭДТ-теории предсказывает явление пространственной самоорганизации дефектов в периодические структуры, и это явление действительно было обнаружено экспериментально. Однако подробное его обсуждение выходит за рамки настоящей статьи.

Практические занятия

Целью выполнения практических заданий является закрепление теоретического материала и приобретение определенных навыков в решении задач.

При решении задачи рекомендуется определенная последовательность

       При решении задач рекомендуется определенная последовательность. Приступая к решению задачи необходимо:

- изучить теоретический материал по теме;

- начиная решать задачу, вникнуть в ее смысл. Представить себе не только физическое явление, о котором идет речь, но и те упрощающие предположения, которые надо сделать, проводя решение; - если позволяет характер задачи, обязательно сделать рисунки, поясняющие содержание и решение задачи.

- условие задачи записывать кратко, все, входящие в неё величины, выразить в единицах СИ;

- недостающие в условии данные при необходимости выписать из таблиц;

- решение задачи сопровождать пояснительным текстом;

- решив задачу в общем виде, проверить ответ по равенству размерности отдельных членов формулы;

-выполнить числовые расчеты;        

- получив числовой ответ, оценить его правдоподобность.

5. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СРС

  Приступая к выполнению заданий СРС необходимо:

-  изучить теоретический материал по теме;

- начиная решать задачу, вникнуть в ее смысл. Представить себе не только физическое явление, о котором идет речь, но и те упрощающие предположения, которые надо сделать, проводя решение; - если позволяет характер задачи, рекомендуется сделать рисунки, поясняющие содержание и решение задачи.

- условие задачи записывать кратко, все, входящие в неё величины, выразить в единицах СИ;

- недостающие в условии данные при необходимости выписать из таблиц;

- решение задачи сопровождать пояснительным текстом;

- решив задачу в общем виде, проверить ответ по равенству размерности отдельных членов формулы;

-выполнить числовые расчеты;

- получив числовой ответ, оценить его правдоподобность.



Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7