Дефектоутворення у приповерхневих шарах монокристалів GаAs під впливом низькорівневого просторово-модульованого лазерного опромінення - Автореферат

Для планарного формування приповерхневих наноструктур з точним позиціюванням окремих елементів пропонується використовувати голографічну фотолітографію, або модифікацію структури підкладки безпосередньою дією лазерного випромінювання із заданим розподілом інтенсивності. Мета роботи полягає у зясуванні фізичних закономірностей дефектоутворення у приповерхневих шарах монокристалів GAAS при дії низькорівневого лазерного опромінення з просторовою модуляцією інтенсивності. Методи дослідження: опромінювання кристалів GAAS у допороговому режимі імпульсами лазерного випромінювання з гауссовим та дифракційним розподілом інтенсивності; комплексне структурне дослідження опромінених зразків GAAS, яке полягає у використанні методів металографії, АСМ-вимірювань рельєфу та фазового складу поверхні кристала, РЕМ у режимі вторинних електронів і рентгенівської спектроскопії характеристичного випромінювання; розрахунки розподілу інтенсивності дифракційно-модульованого лазерного випромінювання за методами зон Френеля та інтегралів Кірхгофа; числові методи інтегрування і диференціювання у розрахунках латерального розподілу температури та деформації у зоні лазерного опромінення; розрахунок концентрації лазерно-стимульованих центрів у рамках електронно-деформаційно-теплової (ЕДТ) моделі дефектоутворення; розрахунок дифузійного перерозподілу точкових дефектів за другим законом Фіка. Запропоновано новий метод структурної модифікації приповерхневих шарів монокристалів GAAS лазерним опроміненням допорогової густини енергії, при якій не відбувається розплавлення та руйнування кристалу, з використанням дифракційних ефектів. Виконані числові розрахунки полів температур, деформацій і термічних напружень, що створюються у приповерхневому шарі GAAS з урахуванням характеристик лазерного випромінювання і змін широкого спектру фізичних властивостей опромінюваного кристала: оптичного поглинання, теплоємності, теплопровідності, теплового розширення, анізотропії пружності і зміни концентрації носіїв заряду.Відзначається, що крім особливих властивостей, які притаманні віцінальній поверхні (регібридизація хімічних звязків поверхневих атомів, більша величина їх середньоквадратичних зміщень порівняно з обємними значеннями, відмінність констант пружності решіток поблизу поверхні і в обємі та ін.), реальна поверхня відрізняється також хімічним складом, підвищеною концентрацією дефектів і чутливістю до зовнішніх збуджень, великими коефіцієнтами дифузії компонент сполуки, які потрібно враховувати при розвязанні задач структурної модифікації приповерхневих шарів кристалу GAAS під дією лазерного опромінення. У залежності від густини енергії , яка сприймається поверхнею кристала, розглянуто різні механізми структурної модифікації, та вказано три їх характерних рівня: при W = Wm відбувається плавлення кристалу; граничний рівень WBWB генеруються дислокації, а нижче Wb - точкові дефекти; нижче у деякому проміжку до значення Wb відбувається генерація лише точкових дефектів і при подальшому зниженні до W<Wp істотних структурних змін у кристалічній решітці не спостерігається. У формулі (1) - енергія активації дефекту, - енергія активації дефекту за присутності електронного збудження, - потенціал деформації, який дорівнює , - акустична деформація решітки, - стала Больцмана, - температура. У даній роботі запропоновано використовувати явище дифракції для просторової модуляції інтенсивності нізкорівневого опромінення, при якому не відбувається розплавлення кристалу, але при цьому задається нерівномірний розподіл енергії електромагнітної хвилі по поверхні кристалу. , (2) де - теплоємність, - густина досліджуваної речовини, - час від початку дії імпульсу лазерного опромінення, - координата углиб кристала, - коефіцієнт теплопровідності, - теплова потужність, яка вводиться у кристал опроміненням.У дисертаційній роботі вирішена поставлена наукова задача: зясовані фізичні закономірності дефектоутворення у приповерхневих шарах монокристалів GAAS при дії низькорівневого лазерного опромінення з просторовою модуляцією інтенсивності.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертаційній роботі вирішена поставлена наукова задача: зясовані фізичні закономірності дефектоутворення у приповерхневих шарах монокристалів GAAS при дії низькорівневого лазерного опромінення з просторовою модуляцією інтенсивності.

1. Структурні зміни у приповерхневому шарі Ge під дією лазерного імпульсу / В.О. Надточій, М.М. Голоденко, А.З. Калімбет, Д.С. Москаль // Фіз. і хім. твердого тіла. - 2003. - Т.4, №3. - С.556 - 559.

2. Структурные изменения в зоне действия лазерного луча в монокристаллическом германии / В.А. Надточий, В.П. Алехин, Н.К. Нечволод, Н.Н. Голоденко, Д.С. Москаль // Физ. и хим. обраб. материалов. - 2003. - №4. - С.9 - 12.

3. Дислокації у приповерхневому шарі Ge, спричинені лазерним імпульсом / В.О. Надточій, М.К. Нечволод, М.М. Голоденко, Д.С. Москаль // Вісник Харківського університету, серія “Фізика”. - 2005. - № 601, вип. 8. - С.130 - 135.

4. Nadtochy V., Golodenko M., Moskal D. Investigation of dislocations in Ge single crystals by scanning electron beam // Functional Materials. - 2004. - V.11, № 1. - P.40 - 43.

5. Moskal D., Nadtochy V., Golodenko M. Formation of periodic structures in GAAS near-surface layers irradiated by laser pulse // Photoelectronics. - 2005. - V.14 - Р. 105-107.

6. Moskal D., Nadtochy V., Golodenko M. Periodic structure formation in GAAS near-surface layer by laser beam with diffraction modulated intensity // Functional Materials. - 2006. - V.13, №1. - P.100 - 103.

7. Москаль Д.С., Надточий В.А. Голоденко Н.Н. Анализ рельефа поверхности GAAS, сформированного воздействием дифракционно-модулированного лазерного излучения // Физика. Известия высших учебных заведений. - 2007. - Т.50, № 11. - С. 86-89. Стаття опублікована також у англомовній редакції: Moskal D.S., Nadtochy V.A. and Golodenko N.N. Analysis of the relief of the GAAS surface formed upon exposure to diffraction-modulated laser radiation // Russian study - Springer New York (USA), 2007. - Vol.50, №11.- P.1154-1157.

8. Moskal D.S., Fedorenko L.L., Yusupov M.M., Golodenko M.M. Periodic subsurface structures in GAAS formed by spatially modulated nanosecond pulse laser irradiation // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. - 2007.- Vol. 10, №3.- Р. 80-83.

9. Москаль Д.С., Надточій В.О., Голоденко М.М. Розрахунок термопружних полів у кристалах GAAS, спричинених дією лазерного променя з дифракційною просторовою модуляцією // Наука і молодь: Збірник наукових праць міжнародної наукової конференції «Політ - 2005». - Київ. - Національний авіаційний університет. - Вип. 5.- 2005. - С. 23-25.

10. Надточій В.О., Голоденко М.М., Москаль Д.С. Про фізичний механізм виникнення дислокацій у приповерхневих шарах Ge при малих інтенсивностях лазерного опромінювання мілісекундної тривалості // Збірник тез Всеукраїнської конференції студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “Еврика - 2003”. - Львів: Львівський національний університет ім. Івана Франка, 2003. - С. 136.

11. Москаль Д.С. Периодические приповерхностные структуры GAAS, созданные пространственно-модулированным наноимульсом лазерного излучения // Збірник матеріалів 10-го ювілейного міжнародного молодіжного форуму «Радіоелектроніка і молодь в ХХІ ст.», 10-12 квітня 2006. - Харків: Харківський національний університет радіоелектроніки. - С. 136.

12. Надточий В.А., Голоденко Н.Н., Москаль Д.С. Исследование дислокаций сканирующим электронным пучком // Відкрита Всеукраїнська конференція молодих вчених та науковців “Сучасні питання матеріалознавства”. Тез. доп., 9 - 13 вересня 2003 р. - Харків: НТК “Інститут монокристалів”. - 2003. - С.95.

13. Москаль Д.С., Надточій В.О., Голоденко М.М. Розрахунок термопружних полів у кристалах GAAS, спричинених дією лазерного променя з дифракційною просторовою модуляцією // V Міжнародна наукова конференція “Політ - 2005”. Тез. доп., 12 - 13 квітня 2005 р. - Київ: Національний авіаційний університет. - 2005. - С.94.

14. Надточій В.О., Нечволод М.К., Москаль Д.С. Мікропластичність алмазоподібних кристалів // ХІ Міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок та наносистем, Тез. доп., 7-12 травня 2007 р. - Івано-Франківськ: Прикарпатський національний університет. - Т.2. - С. 122-123.

15. Москаль Д.С., Надточий В.А., Голоденко Н.Н. Анализ рельефа поверхности GAAS, сформированного под воздействием дифракционно-модулированного лазерного излучения // Сборник тезисов 45-й Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», 25 -28 сентября 2006 г. - Белгород: Белгородский государственный университет. - 2006. - С. 117-118.

16. Москаль Д.С. Распределение термоупругих напряжений по облучаемой лазерным импульсом поверхности монокристаллов GAAS // Международная конференция «Мезоскопичекие явления в твердых телах», Тез. докл., 26 февраля - 1 марта 2007 г. - Донецк: Донецкий физикотехнический институт ім. А.А. Галкіна НАН України. - 2007. - С. 50.

17. Москаль Д.С., Надточій В.О., Фєдоренко Л.Л., Юсупов М.М., Дифузійний механізм формування кластерів у GAAS під дією просторово-періодичного лазерного опромінення // Конференція молодих вчених з фізики напівпровідників «Лашкарьовські читання - 2008», Тез. доп. 21 - 23 квітня 2008 р. - Київ: Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України. - 2008. - С. 40-41.