‘≥зика > ƒинам≥чне п≥дпорогове дефектоутворенн¤ у вузьких нап≥впров≥дниках ј...¬...

ƒинам≥чне п≥дпорогове дефектоутворенн¤ у вузьких нап≥впров≥дниках ј...¬...

™ ц≥ла низка експериментальних даних незворотноњ взаЇмод≥њ лазерного випром≥нюванн¤ з вузькозонними нап≥впров≥дниками јIII¬V [1-3]. ÷≥ результати навод¤ть на думку, що в нап≥впров≥дниках при опром≥ненн≥ випром≥нюванн¤м руб≥нового лазера виникають дефекти локального типу з р≥зними енерг≥¤ми активац≥њ та в≥дпалу. ÷≥ дефекти мають n-тип пров≥дност≥.

≈нергетична залежн≥сть дл¤ розпод≥лу n-центр≥в у приповерхневому шар≥ подана на рис.1 кривою 1 [1]. ÷≥ n-центри зумовлен≥ дефектами (крива 2, рис. 1). ќкр≥м того вони мають низьку рухлив≥сть, майже на пор¤док меншу в≥д в≥льних нос≥њв. ѕри термообробц≥ к≥льк≥сть нос≥њв у шар≥ зменшуЇтьс¤. ќднак частина n-центр≥в дл¤ досить високих ≥нтенсивностей опром≥ненн¤ збер≥гаЇ свою ст≥йк≥сть при T=4000C в InSb та при T=8000C в InAs.

—л≥д зазначити, що концентрац≥¤ оптично генерованих дефект≥в наст≥льки велика, що при середн≥х дозах ≥онноњ ≥мплантац≥њ додаткове опром≥ненн¤ ≥мпульсами руб≥нового лазера призводить до зб≥льшенн¤ к≥лькост≥ дефект≥в (крива 3, рис. 1), тод≥ ¤к опром≥ненн¤ ≥мпульсами лазера на —ќ2 призводить до в≥дпалу дефект≥в (крива 4 рис. 1) та до активац≥њ впровадженоњ дом≥шки [1].

ѕри цьому концентрац≥йний проф≥ль залежить в≥д кристалограф≥чноњ ор≥Їнтац≥њ [2; 3] (рис. 2). ÷е зумовлено тим, що кристали InSb мають значний процент ковалентних звТ¤зк≥в, що й призводить до ан≥зотроп≥њ дефектоутворенн¤.

” спектрах оберненорозс≥¤них ≥он≥в у режим≥ каналюванн¤ зареЇстрована генерац≥¤ дефект≥в реш≥тки в приповерхневому шар≥ [1-3] кристал≥в InSb п≥д д≥Їю випром≥нюванн¤ руб≥нового лазера з густиною енерг≥њ в ≥мпульс≥ I0=0,018¸ ¸0,078 ƒж×см-2 до р≥вн¤, ¤кий реЇструЇтьс¤ методикою. ¬≥дносна зм≥на дефектност≥ cD зображена кривою 2 на рис.1. —п≥вставл¤ючи дан≥ дл¤ cD=f(I0) та дл¤ nS=f2(I0) (де nS Ц шарова концентрац≥¤), легко бачити, що генерац≥¤ n-центр≥в зумовлена дефектоутворенн¤м п≥д д≥Їю

лазерного випром≥нюванн¤, що лежить в област≥ власного поглинанн¤. «меншенн¤ дефектност≥ спостер≥гаЇтьс¤ при опром≥ненн≥ з

Ѕ≥льш повно в≥дносну зм≥ну дефектност≥ в≥д густини енерг≥њ в ≥мпульс≥ характеризуЇ крива 2 на рис.1, ¤ка показуЇ, що при близькому до в шар≥ дос¤гаЇтьс¤ м≥н≥мальний р≥вень дефектност≥, що реЇструЇтьс¤ методикою.

Ќа рис. 3 наведено динам≥ку повед≥нки дефект≥в п≥сл¤ опром≥ненн¤ ≥мпульсами руб≥нового лазера р≥зноњ ≥нтенсивност≥.

÷≥ ефекти по¤снюютьс¤ тим, що при взаЇмод≥њ лазерного випром≥нюванн¤ з hn³Eg в≥дбуваЇтьс¤ ≥нтенсивне дефектоутворенн¤. ѕричому концентрац≥¤ дефект≥в та час њх житт¤ суттЇво залежать в≥д ≥нтенсивност≥ њхнього введенн¤, тобто в≥д ≥нтенсивност≥ опром≥ненн¤. ¬ класичн≥й ф≥зиц≥ нап≥впров≥дник≥в вважаЇтьс¤, що при взаЇмод≥њ оптичного випром≥нюванн¤, частота ¤кого лежить у смуз≥ власного поглинанн¤ монокристала, з нап≥впров≥дником в≥дбуваЇтьс¤ ад≥абатичний процес поверненн¤ кристала в початковий стан. ќднак, ¤к видно з вищенаведеного, це не так. Ќаведемо спрощену модель процесу взаЇмод≥њ лазерного випром≥нюванн¤ з антимон≥дом ≥нд≥ю. ÷ей кристал може перебувати в наступних фазах (кристалограф≥чних модиф≥кац≥¤х): сфалериту (куб≥чна), вюрциту (гексагональна), пол≥кристал≥чн≥й та аморфн≥й.  ожн≥й з цих модиф≥кац≥й в≥дпов≥даЇ сво¤ структура та симетр≥¤ енергетичних зон кристала. ѕерех≥д м≥ж ними супроводжуЇтьс¤ зм≥ною внутр≥шньоњ (потенц≥альноњ) енерг≥њ кристала. —л≥д зазначити, що ф≥зика взаЇмод≥њ оптичного випром≥нюванн¤ у смуз≥ власного поглинанн¤ з точки зору релаксац≥йноњ оптики ¤к сл≥д не розроблена.

ѕри спрощеному розрахунку взаЇмод≥¤ кванта оптичного випром≥нюванн¤ з енерг≥Їю 1,78 е¬ з антимон≥дом ≥нд≥ю, ширина забороненоњ зони ¤кого при к≥мнатн≥й температур≥ дор≥внюЇ 0,18 е¬, в≥дпов≥даЇ енерг≥њ м≥н≥мального х≥м≥чного звТ¤зку в кристал≥ (оск≥льки кристали антимон≥ду ≥нд≥ю пр¤мозонн≥).

ќкр≥м того, цей нап≥впров≥дник б≥льш ¤к на половину ковалентний. « кристалограф≥чноњ точки зору чистий ковалентний звТ¤зок 1 в≥дпов≥даЇ ширин≥ забороненоњ зони кристала (рис. 4).

« чисто геометричних м≥ркувань видно, що в кристалограф≥чному напр¤мку {111} перер≥з ефективноњ взаЇмод≥њ кванта руб≥нового лазера з≥ звТ¤зком 1 б≥льш ефективний, н≥ж дл¤ напр¤мку {110}.  ванти руб≥нового лазера при довол≥ низьких ≥нтенсивност¤х опром≥ненн¤ (однофотонн≥ процеси) з ≥ншими звТ¤зками практично не взаЇмод≥ють, тому що њхн¤ енерг≥¤ значно менша за енерг≥ю цих звТ¤зк≥в. ѕростий геометричний п≥драхунок стверджуЇ, що у випадку сферичного чи ел≥псоњдального звТ¤зку сп≥вв≥дношенн¤ площ звТ¤зку 1 з рис.4 буде дор≥внювати тангенсу або ж котангенсу нашого кута звТ¤зку.

√рубу оц≥нку ефективного перер≥зу розс≥¤нн¤ можна оц≥нити наступним чином.  оеф≥ц≥Їнт поглинанн¤ св≥тла можна податити в наступному вигл¤д≥ [4]

, (1)

де Ц концентрац≥¤ в≥дпов≥дних центр≥в розс≥¤нн¤ та перер≥з розс≥¤нн¤ (поглинанн¤) кванта св≥тла в≥дпов≥дно; Ц число р≥зних за своЇю природою центр≥в розс≥¤нн¤; Ц знак суми.

ƒл¤ монохроматичного випром≥нюванн¤ знаком суми в (1) можна знехтувати, у цьому випадку, звичайно, ми маЇмо один механ≥зм поглинанн¤ (розс≥¤нн¤). ƒл¤ власного поглинанн¤ св≥тла число центр≥в розс≥¤нн¤ р≥вне атомн≥й густин≥ реш≥тки. ƒл¤ InSb ~ 4×1021cм-3; дл¤ руб≥нового лазера =2×105 cм-1. ” цьому випадку перер≥з ефективного розс≥¤нн¤ (поглинанн¤) одного кванта св≥тла дор≥внюЇ 5×10-17cм-2. ƒл¤ ¤к≥сноњ оц≥нки ефекту ан≥зотроп≥њ поглинанн¤ лазерного випром≥нюванн¤ скористаЇмос¤ схемою реш≥тки, наведеноњ на мал.4. «вТ¤зок 1 Ц чисто ковалентний, тому що дл¤ InSb та InAs його довжина дор≥внюЇ сум≥ ковалентних рад≥ус≥в в≥дпов≥дних ≥он≥в. ƒл¤ InSb довжина звТ¤зку 1 дор≥внюЇ 2,8×10-8 cм.  ут м≥ж напр¤мком {110} та звТ¤зком 1 дор≥внюЇ 37,5∞. «наченн¤ Удовжини розс≥¤нн¤Ф при таких допущенн¤х р≥вне 7×10-9 cм. ≈фективна довжина ковалентного звТ¤зку 1 дл¤ кристалограф≥чних напр¤мк≥в {110} та {111} дор≥внюЇ 1,56×10-8 cм та 2,33×10-8 cм в≥дпов≥дно. ƒл¤ сферичноњ, ел≥птичноњ та гантельноњ конф≥гурац≥й ефективний перер≥з розс≥¤нн¤ зм≥нюЇтьс¤ в межах (4 Ц 6)×10-17 cм-2. ћенше значенн¤ перер≥зу розс≥¤нн¤ н≥ж квадрат Уефективноњ довжиниФ по¤снюЇтьс¤ великими розм≥рами ≥он≥в In та Sb [5]. ÷¤ оц≥нка коеф≥ц≥Їнта ан≥зотропност≥ поглинанн¤ (розс≥¤нн¤) випром≥нюванн¤ з урахуванн¤м ефективноњ поверхневоњ густини ковалентних звТ¤зк≥в Ї наступною . ѕриблизно ж таке сп≥вв≥дношенн¤ м≥ж концентрац≥¤ми донорних центр≥в антимон≥ду ≥нд≥ю отриманих за допомогою опром≥ненн¤ ≥мпульсами руб≥нового лазера дл¤ в≥дпов≥дних кристалограф≥чних напр¤мк≥в (рис. 4). —аме короткий час взаЇмод≥њ оптичного випром≥нюванн¤ з антимон≥дом ≥нд≥ю й дозвол¤Ї звТ¤зати спостережуван≥ ефекти з механ≥змами власного поглинанн¤ оптичного випром≥нюванн¤ (у цьому випадку з розс≥¤нн¤м св≥тла на звТ¤зку 1 рис. 4).

ќднак тут не ц≥лком зрозум≥лим Ї механ≥зм утворенн¤ дефект≥в у цих нап≥впров≥дниках. ѕри такому сп≥вв≥дношенн≥ м≥ж енерг≥Їю кванта та шириною забороненоњ зони кожен квант може УпорватиФ 3-4 звТ¤зки антимон≥ду ≥нд≥ю та 2-3 звТ¤зки арсен≥ду ≥нд≥ю. ÷е також в≥дпов≥даЇ температурн≥й залежност≥ холл≥вськоњ рухливост≥ нос≥њв у опром≥нен≥й област≥. ќднак, все таки, ¤к дати в≥дпов≥дь на запитанн¤: чому ж виникають дефекти? Ќа це питанн¤ можна в≥дпов≥сти наступним чином. «а час взаЇмод≥њ оптичного випром≥нюванн¤ в≥дбуваЇтьс¤ Уопустошенн¤Ф звТ¤зк≥в 1 (рис. 4). ≤они ≥нд≥ю та сурми в област≥ цього звТ¤зку знаход¤тьс¤ на м≥н≥мальн≥й в≥дстан≥ один в≥д одного. ÷≥лком ймов≥рно, що Успустошенн¤Ф в≥дпов≥дних звТ¤зк≥в призводить до зм≥щенн¤ ¤краз ≥он≥в, ¤к≥ в≥дпов≥дають за ц≥ звТ¤зки. ¬они зм≥щуютьс¤ в область УменшоњФ густини. “ак виникають дефекти. Ќав≥ть ¤кщо повТ¤зати час Успустошенн¤Ф звТ¤зк≥в ≥з часом житт¤ нер≥вноважних нос≥њв (10-7 с.), то за цей час ≥они з енерг≥Їю пор¤дку ширини забороненоњ зони можуть зм≥ститис¤ на в≥дстань, достатню дл¤ утворенн¤ дефекту. „им б≥льша ≥нтенсивн≥сть збудженн¤, тим б≥льше нер≥вноважних дефект≥в утворюЇтьс¤ ≥ тим тривал≥ший час вони живуть. “акими дефектами при низьких ≥нтенсивност¤х опром≥ненн¤ можуть бути в≥ртуальн≥ пари ‘ренкел¤, в≥ртуальн≥ дислокац≥њ (л≥н≥йн≥ дефекти, розм≥рами б≥льше ¤к по 3-4 атоми у в≥дпов≥дному кристалограф≥чному напр¤мку). ≈нерг≥¤ активац≥њ та в≥дпалу таких дефект≥в сп≥врозм≥рна з енерг≥Їю њхнього утворенн¤, тобто пор¤дку . ѕроцес первинного дефектоутворенн¤ в кристалах та повТ¤заний ≥з р≥зною рухлив≥стю атом≥в ≥нд≥ю, сурми та мишТ¤ку, атоми ≥нд≥ю в реш≥тц≥ б≥льш рухлив≥, а в м≥жвузл¤х менш рухлив≥, н≥ж атоми сурми. “ак, коеф≥ц≥Їнт самодифуз≥њ атом≥в ≥нд≥ю в антимон≥д≥ ≥нд≥ю при к≥мнатн≥й температур≥ на три пор¤дки б≥льший, н≥ж сурми [6]:

1	2

Ќазва: ƒинам≥чне п≥дпорогове дефектоутворенн¤ у вузьких нап≥впров≥дниках ј...¬...
ƒата публ≥кац≥њ: 2005-03-24 (727 прочитано)