The contribution of the thermoelastic stresses in the surface relief formation mechanism under laser irradiation of semi.pdf Процессы взаимодействия лазерного излучения (ЛИ) с поверхностью полупроводниковых кристаллов и эпитаксиальных слоев изучаются длительное время, благодаря чему были получены результаты, представляющие значительный практический и научный интерес. В том случае, когда энергия кванта излучения превышает ширину запрещенной зоны полупроводника, поглощение света происходит в поверхностном слое материала толщиной порядка 1 мкм. В этом слое ЛИ генерирует плотную электрон - дырочную плазму, рекомбинация которой приводит к трансформации энергии излучения в тепловую и вызывают модификацию свойств материала, причем в результате неравновесной рекристаллизации на поверхности могут формироваться периодические структуры [1-4]. Указанные структуры могут иметь форму концентрических колец, окружающих кратер, образующийся в точке падения излучения на поверхность, форму гофра и т.д. Для объяснения этих эффектов рассматривались различные модели - от генерации поверхностных акустических волн [1, 2] до перераспределения интенсивности света при интерференции падающего и отраженного излучения [3]. При этом следует иметь в виду, что рассматриваемые процессы носят неравновесный характер и для многокомпонентных полупроводников процесс рекристаллизации может сопровождаться фазовыми превращениями вплоть до образования новых фаз, первоначально отсутствовавших в исходном материале. Так, было показано, что облучение монокристаллов CdxHg1-xTe (0.2  х  0.3) импульсами лазера на стекле с неодимом миллисекундного и микросекундного диапазонов длительности с плотностью мощности излучения до 110 кВт/см2 в импульсе приводит к частичной сублимации материала с последующей рекристаллизацией вещества, которая сопровождается изменением состава твердого раствора на поверхности и даже выделением фаз, формируемых отдельными его компонентами (в частности, Te) [5]. В настоящей работе представлены результаты исследования лазерного отжига эпитаксиальных слоев твердых растворов CdxHg1-xTe с составами 0.2  x  0.3, в которых также было обнаружено формирование периодического рельефа поверхности. Исследовались слои, полученные методом жидкофазной эпитаксии на подложках из монокристаллов твердого раствора ZnxCd1-xTe. Толщина эпитаксиального слоя составляла 16-19 мкм при площади поверхности порядка 1-2 см2. Слои облучались импульсами лазера на смеси DF длительностью 2 мкс на полувысоте и 4 мкс у основания. Спектральный состав излучения 3.8-4.2 мкм, полная энергия в импульсе до 50 Дж, диаметр лазерного пучка был равен 68 мм. Распределение плотности энергии излучения по поперечному сечению пучка было близко к гауссовой. При облучении половина площади эпитаксиального слоя закрывалась непрозрачной диафрагмой, при этом недиафрагмированная часть поверхности была полностью освещена. Во всех экспериментах наблюдалось частичное испарение вещества, в результате чего формировалась резкая граница между освещенной и неосвещенной областями в виде ступеньки, высота которой зависела от массы испаренного материала. На рис. 1 представлено изображение поверхности слоя, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа фирмы «JEOLS» (увеличение 1800 раз), после облучения импульсом с плотностью мощности 5.6 МВт/см2. Граница между областями проходит по диагонали рисунка. Видно, что произошла рекристаллизация облученной области. Вблизи границы с необлученной частью находится зона с большим количеством трещин, происхождение которых связано, как мы полагаем, с генерацией термоупругих напряжений, возникающих из-за разности температур освещенной и диафрагмируемых областей. Трещины ориентированы преимущественно параллельно границе раздела, следовательно, упругие силы носят сжимающий характер и направлены перпендикулярно границе. На рис. 2 показано изображение поверхности образца после облучения импульсом с плотностью мощности 10.2 МВт/см2, полученное с помощью цифрового микроскопа. При увеличении поглощенной энергии растает высота ступеньки и наблюдается образование периодического рельефа, причем с учетом изложенного выше можно предположить, что структура рельефа формируется при рекристаллизации расплавленной части материала в поле упругих напряжений, которые приводят к деформации поверхности. Рис. 1. Разрушение эпитаксиального слоя Cd0.21Hg0.79Te вследствие термоупругих напряжений на границе раздела неосвещенной (верхняя левая часть изображения) и освещенной областей. Трещины образуются параллельно границе раздела. Плотность мощности излучения - 5.6 МВт/см2 Рис. 2. Формирование периодического рельефа поверхности эпитаксиального слоя Cd0.21Hg0.79Te после облучения импульсом с плотностью мощности 10.2 МВт/см2. Левая часть слоя не облучалась Прямой расчет термоупругих напряжений сложен [6] и требует знания значений некоторых параметров материала при высоких температурах, которые в настоящее время недоступны. Поэтому для анализа характера механических напряжений использовалась модель расчета тепловых полей в полупроводниках, основанная на решении нестационарного уравнения теплопроводности [7, 8] с учетом относительно низкого порога наступления нелинейного поглощения света для твердого раствора CdxHg1-xTe [9]. Как уже отмечалось, при поглощении ЛИ в условиях эксперимента происходит испарение (возгонка) и вынос части массы полупроводникового материала, а также нагревание до и выше температуры плавления оставшейся его части. Допуская для простоты, что состав расплава, полученного в результате лазерного нагрева, идентичен исходному, мы предполагаем, что сразу по охлаждении до температуры фазового перехода происходит кристаллизация остывающего расплава. Таким образом, в нашей модели процесс рекристаллизации начинается в объеме на уровне, температура которого равна температуре кристаллизации, и направлен из объема к поверхности. При расчете, выполненном в рамках модели [6, 7], использовались следующие предположения: состав слоя х = 0.21, его толщина - 20 мкм, толщина подложки не ограничена, температура плавления - 983 К, средняя плотность мощности в импульсе - 106 МВт/см2, форма импульса - гауссова. Для расчета толщина образца разбивалась на 50 слоев по глубине, шаг по вертикальной координате - dz = 2.510-5 см, число точек по времени nt = 200 000, шаг по времени dt = 210-8 с. Результаты расчетов представлены на рис. 3. Из рисунка следует, что уже через 0.05 мс по окончании импульса по всей глубине температура опускается ниже равновесной температуры кристаллизации для данного состава твердого раствора [10, 11]. Рис. 3. Зависимости: а - формы ЛИ, избранной для модельного расчета; б - температуры от времени: кр. 1 - на поверхности слоя Cd0.21Hg0.79Te, кр. 2 - на глубине 5 мкм от поверхности, кр. 3 - на глубине 10 мкм от поверхности; в - расчетное распределение температуры по глубине эпитаксиального слоя Cd0.21Hg0.79Te в процессе остывания: кр. 1 - сразу после окончания импульса (2 мс), кр. 2 - через 2.05 мс, кр. 3 - через 2.1 мс, кр. 4 - через 2.15 мс от начала ЛИ Как следует из рис. 3, б, нагрев эпитаксиального слоя под действием ЛИ до температуры равной или превышающей температуру плавления наблюдается до глубины порядка 10 мкм. Можно предположить, что именно на этой глубине начинается процесс рекристаллизации, так как область расплава располагается выше этого уровня. Разность температур между поверхностью расплава и фронтом кристаллизации сразу после прохождения ЛИ составляет порядка 400 К (кривая 1 рис. 3, в). Эта разность является источником возникновения термомеханических напряжений, направление которых на поверхности носят сжимающий характер, так как при быстром охлаждении (0.05 мс) площадь поверхности, на которой происходит кристаллизация, сокращается. В нашем случае существует дополнительный сток тепла в виде «холодной» диафрагмированной части эпитаксиального слоя, по направлению к границе которой будет происходить пластическая деформация материала в процессе его кристаллизации, в результате чего вблизи границы образуется наблюдаемая структура поверхности. В рассмотренной модели подложка в явном виде не участвует, но ее существование принципиально важно, так как благодаря ее наличию обеспечивается охлаждение разогретой области за счет явления теплопроводности. Таким образом, в нашей модели источником возникновения периодического рельефа на поверхности эпитаксиального слоя при импульсном лазерном облучении является одновременное действие двух факторов - неравновесной «быстрой» рекристаллизации и механических напряжений, возникающих из-за градиента температур в среде в процессе фазового перехода. В общем случае деформация неоднородно нагретого механически анизотропного слоя является трехмерной и напряжения, возникающие в нем, а следовательно, возможная форма модификации структуры поверхности может зависеть от взаимной ориентации поверхности кристалла и направления генерируемых тепловыми полями механических напряжений. Дополнительным фактором, оказывающим влияние на возникновение периодических структур на поверхности, является известная анизотропия поверхностных свойств CdxHg1-xTe [12-14], присущая всем многокомпонентным материалам со структурой сфалерита.

Скачать электронную версию публикации