Динамічне підпорогове дефектоутворення у вузьких напівпровідниках А...В...
Динамічне підпорогове дефектоутворення у вузьких напівпровідниках А...В...
Є ціла низка експериментальних даних незворотної взаємодії лазерного випромінювання з вузькозонними напівпровідниками АIIIВV [1-3]. Ці результати наводять на думку, що в напівпровідниках при опроміненні випромінюванням рубінового лазера виникають дефекти локального типу з різними енергіями активації та відпалу. Ці дефекти мають n-тип провідності.
Енергетична залежність для розподілу n-центрів у приповерхневому шарі подана на рис.1 кривою 1 [1]. Ці n-центри зумовлені дефектами (крива 2, рис. 1). Окрім того вони мають низьку рухливість, майже на порядок меншу від вільних носіїв. При термообробці кількість носіїв у шарі зменшується. Однак частина n-центрів для досить високих інтенсивностей опромінення зберігає свою стійкість при T=4000C в InSb та при T=8000C в InAs.
Слід зазначити, що концентрація оптично генерованих дефектів настільки велика, що при середніх дозах іонної імплантації додаткове опромінення імпульсами рубінового лазера призводить до збільшення кількості дефектів (крива 3, рис. 1), тоді як опромінення імпульсами лазера на СО2 призводить до відпалу дефектів (крива 4 рис. 1) та до активації впровадженої домішки [1].
При цьому концентраційний профіль залежить від кристалографічної орієнтації [2; 3] (рис. 2). Це зумовлено тим, що кристали InSb мають значний процент ковалентних зв'язків, що й призводить до анізотропії дефектоутворення.
У спектрах оберненорозсіяних іонів у режимі каналювання зареєстрована генерація дефектів решітки в приповерхневому шарі [1-3] кристалів InSb під дією випромінювання рубінового лазера з густиною енергії в імпульсі I0=0,018¸ ¸0,078 Дж×см-2 до рівня, який реєструється методикою. Відносна зміна дефектності cD зображена кривою 2 на рис.1. Співставляючи дані для cD=f(I0) та для nS=f2(I0) (де nS - шарова концентрація), легко бачити, що генерація n-центрів зумовлена дефектоутворенням під дією
лазерного випромінювання, що лежить в області власного поглинання. Зменшення дефектності спостерігається при опроміненні з
Більш повно відносну зміну дефектності від густини енергії в імпульсі характеризує крива 2 на рис.1, яка показує, що при близькому до в шарі досягається мінімальний рівень дефектності, що реєструється методикою.
На рис. 3 наведено динаміку поведінки дефектів після опромінення імпульсами рубінового лазера різної інтенсивності.
Ці ефекти пояснюються тим, що при взаємодії лазерного випромінювання з hn³Eg відбувається інтенсивне дефектоутворення. Причому концентрація дефектів та час їх життя суттєво залежать від інтенсивності їхнього введення, тобто від інтенсивності опромінення. В класичній фізиці напівпровідників вважається, що при взаємодії оптичного випромінювання, частота якого лежить у смузі власного поглинання монокристала, з напівпровідником відбувається адіабатичний процес повернення кристала в початковий стан. Однак, як видно з вищенаведеного, це не так. Наведемо спрощену модель процесу взаємодії лазерного випромінювання з антимонідом індію. Цей кристал може перебувати в наступних фазах (кристалографічних модифікаціях): сфалериту (кубічна), вюрциту (гексагональна), полікристалічній та аморфній. Кожній з цих модифікацій відповідає своя структура та симетрія енергетичних зон кристала. Перехід між ними супроводжується зміною внутрішньої (потенціальної) енергії кристала. Слід зазначити, що фізика взаємодії оптичного випромінювання у смузі власного поглинання з точки зору релаксаційної оптики як слід не розроблена.
При спрощеному розрахунку взаємодія кванта оптичного випромінювання з енергією 1,78 еВ з антимонідом індію, ширина забороненої зони якого при кімнатній температурі дорівнює 0,18 еВ, відповідає енергії мінімального хімічного зв'язку в кристалі (оскільки кристали антимоніду індію прямозонні).
Окрім того, цей напівпровідник більш як на половину ковалентний. З кристалографічної точки зору чистий ковалентний зв'язок 1 відповідає ширині забороненої зони кристала (рис. 4).
З чисто геометричних міркувань видно, що в кристалографічному напрямку {111} переріз ефективної взаємодії кванта рубінового лазера зі зв'язком 1 більш ефективний, ніж для напрямку {110}. Кванти рубінового лазера при доволі низьких інтенсивностях опромінення (однофотонні процеси) з іншими зв'язками практично не взаємодіють, тому що їхня енергія значно менша за енергію цих зв'язків. Простий геометричний підрахунок стверджує, що у випадку сферичного чи еліпсоїдального зв'язку співвідношення площ зв'язку 1 з рис.4 буде дорівнювати тангенсу або ж котангенсу нашого кута зв'язку.