Книги по разным темам Физика твердого тела, 1998, том 40, № 2 Исследование лазерно-индуцированного дефектообразования в кристаллах CdTe методом резерфордовского обратного рассеяния й Л.А. Головань, П.К. Кашкаров, В.М. Лакеенков, Ю.Н. Сосновских, В.Ю. Тимошенко, Н.Г. Чеченин Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия Государственный институт редких металлов, 109017 Москва, Россия (Поступила в Редакцию 25 июня 1997 г.) Методом резерфордовского обратного рассеяния изучены процессы образования дефектов в приповерхностном слое CdTe при импульсном лазерном облучении. Установлено, что формирование центров рассеяния происходит только при энергиях лазерного импульса, превышающих порог плавления поверхности образца.

Определены пространственные распределения Cd и Te, а также структурных дефектов в облученном слое.

Полученные данные интерпретируются с учетом интенсивного испарения одного из компонентов (Cd) материала.

Теллурид кадмия является важным материалом со- порогов плавления для большинства полупроводников временной оптоэлектроники, применяемым для изгото- групп AIV и AIIIBV [3].

вления солнечных элементов, электрооптических модуляторов, приемников жесткого излучения, а также в 1. Методика эксперимента качестве подложки для роста слоев твердого раствора CdxHg1-xTe. К числу особенностей данного материаИзмерения выполнялись на монокристаллах CdTe с ла относятся сравнительно низкие величины теплопроориентацией рабочей грани (111). Спектры РОР региводности и теплоемкости, а также высокая летучесть стрировались на установке, созданной на базе ускорителя компонентов [1]. Одним из перспективных методов Ван-дер-Граафа НИИЯФ МГУ. Использовался пучок направленной модификации электрических и рекомбинаионов He+ с энрегией 1.4 MeV. ИЛО проводилось моционных свойств бинарных соединений представляется ноимпульсами рубинового лазера ОГМ-20 ( = 694 nm, импульсное лазерное облучение (ИЛО), отличающееся = 20 ns). Для получения неполяризованного одлокальностью и кратковременностью воздействия на понородного по пространству излучения использовался лупроводник [2,3]. Исследованию ИЛО CdTe и вызвангомогенизатор [3]. ИЛО осуществлялось в вакууме при ной им модификации свойств данного полупроводника T = 300 K, спектры РОР снимались in situ, непосредпосвящено лишь несколько работ [4Ц10]. Наиболее ственно сразу после лазерного воздействия. Подробное изучена модификация состава приповерхностных слоев описание установки приведено в [12]. Спектры РОР в результате лазерного воздействия. Так, в [4Ц7] соизмерялись при случайном и осевом падениях ионного общается об обогащении приповерхностного слоя Te пучка. Распределение компонентов было получено при и обеднении его Cd. Однако данные об изменении помощи компьютерного анализа формы спектра с иссостава и дефектообразовании, представленные в [4Ц8], пользованием программы RUMP [13].

не позволяют сделать однозначного вывода о механизмах Известно, что спектры РОР в режиме каналирования лазерно-индуцированной модификации, поскольку автосодержат информацию о концентрации и распределении рами не проводилось различия между случаем, когда дефектов. Профиль распределения относительной конИЛО вызывает фазовый переход плавления на поверхноцентрации точечных дефектов по глубине может быть сти, и случаем лазерного воздействия с энергией меньше получен из формулы [11] порога плавления. Кроме того, вывод о возникновении Nd(z) d(z) -r(z) дефектов делался на основании исследований электронnd(z) = =, (1) N 1 -r(z) ных свойств облученных кристаллов, например, методами фотолюминесценции и фотопроводимости [5Ц10].

где Nd и N Ч концентрации дефектов и регулярных Одним из способов прямого определения концентрации атомов в соответствующей подрешетке, d Ч выход и распределения дефектов в приповерхностной обла- РОР при ориентированном падении пучка ионов от сти является метод резерфордовского обратного рассея- облученного кристалла, нормированный на выход РОР ния (РОР) [11]. В настоящей работе впервые поставлена при неориентированном падении, r(z) =v(z)+F(z) Ч задача использовать данный метод для изучения лазерно- вклад неканалированной части ионов, движущихся в индуцированной модификации приповерхностного слоя облученном кристалле, v(z) Ч нормированный выход CdTe. Отметим, что величина порога плавления CdTe РОР для необлученного кристалла при ориентированном Wm была определена нами ранее в расчетах [9] и экс- падении ионного пучка. Функция деканалирования F(z) периментально [10]. При облучении наносекундными рассчитывалась в приближении однократного рассеяния, импульсами рубинового лазера значение Wm состави- правомерность использования которого была подтверло 40 mJ/cm2, что в несколько раз меньше величин ждена последующей проверкой (см. [11]).

3 210 Л.А. Головань, П.К. Кашкаров, В.М. Лакеенков, Ю.Н. Сосновских, В.Ю. Тимошенко, Н.Г. Чеченин 2. Экспериментальные результаты Вначале рассмотрим изменение состава приповерхностных слоев CdTe, проявляющиеся в вариациях спектров РОР, полученных при случайном падении ионов. В эксперименте изменение формы этих спектров фиксировалось при W 100 mJ/cm2. Спектры РОР для исходного образца и для образца, подвергнутого облучению с плотностью энергии W = 120 mJ/cm2, полученные при неориентированном падении ионного пучка, приведены на рис. 1. Ввиду близости масс Cd и Te вклады этих компонентов в спектр РОР необлученного кристалла практически не удалось разрешить. В результате ИЛО становилось заметным обогащение приповерхностных слоев образца теллуром и обеднение их кадмием. Данный результат представляется весьма закономерным, если учесть, что давление паров кадмия при температуре плавления заметно превосходит давление паров теллура при той же температуре (7 и 0.2 atm соответственно [1]) и, следовательно, при ИЛО происходит преимущественное испарение Cd из расплава. Полученное в результате анализа распределение относительных концентраций компонентов приведено на врезке к рис. 1. Как видно из этого рисунка, по мере увеличения глубины z относительная концентрация Te в облученном кристалле падает, а относительная концентрация Cd возрастает, выходя на постоянные уровни соответствующих концентраций Рис. 2. Осевые спектры РОР CdTe до облучения (1) и после компонентов в необлученном кристалле CdTe. Таким ИЛО с W = 40 (2), 50 (3), 103 (4) и 143 mJ/cm2 (5). Случайобразом, толщина приповерхностного слоя CdTe с изный выход РОР CdTe изображен темными треугольниками (6).

мененным в результате ИЛО составом равна 10 nm.

Спектры РОР CdTe в режиме каналирования приведены на рис. 2. Как видно из этого рисунка, воздействие лазерного импульса с W Wm не приводило к изменениям в них. Модификация спектров каналирования начиналась Рис. 3. Профиль концентрации точечных дефектов в CdTe после ИЛО с W = 82 (1) и 143 mJ/cm2 (2).

при W 50 mJ/cm2. Осевой выход РОР увеличивался с ростом плотности энергии лазерного импульса.

Рис. 1. Спектры РОР при неориентированном падеАнализ вариаций спектров РОР в режиме каналиронии ионного пучка для необлученного (1) и облученного с вания ионов показал, что дефектообразование в припоW = 120 mJ/cm2 (2) образца CdTe. На врезке Ч профиль верхностной области удовлетворительно описывается в распределения концентрации компонентов CdTe после ИЛО с предположении о возникновении точечных центров расW = 120 mJ/cm2 (слошная линия Ч Te, штриховая Ч Cd).

Физика твердого тела, 1998, том 40, № Исследование лазерно-индуцированного дефектообразования в кристаллах CdTe... сеяния вследствие лазерного воздействия. Полученные что может привести к кристаллизации некоторого слоя, в результате расчетов профили распределения дефектов масса mc которого определяется из простого соотношедля различных плотностей энергии представлены на ния [15] рис. 3. Из этого рисунка видно, что при W = 80 mJ/cm2 mv = Lmc, (2) повреждение приповерхностного слоя весьма значительгде L Ч удельная теплота кристаллизации, составляюно: из регулярных положений смещено около 30% атощая для CdTe L = 209 J/g [1]. Поскольку, как было помов, а толщина дефектного слоя составляет 70 nm.

казано, из расплава по преимуществу испаряется кадмий, При дальнейшем росте W происходит расширение девеличина должна определяться теплотой испарения Cd фектной области (до 100 nm при W = 143 mJ/cm2), (888 J/g [16]). Следовательно, испарение Cd из слоя тола концентрации дефектов соответствуют аморфизации щиной 15 nm обеспечивает кристаллизацию слоя CdTe поверхности.

толщиной 30 nm. Очевидно, что роль данного фактора дефектообразования возрастает с увеличением W.

3. Обсуждение результатов В заключение отметим, что в настоящей работе впервые был применен метод РОР для исследования В наших экспериментах впервые был применен мелазерно-индуцированного дефектообразования и изменетод РОР для регистрации изменений композиционных ния состава в кристаллах CdTe. Обнаружено, что ИЛО свойств приповерхностного слоя CdTe в результате лас плотностью энергии выше порога плавления вызывает зерного воздействия. Изменения в его составе наблюдапоявление дефектов, которые проявляют себя преимущеются при ИЛО с W > 120 mJ/cm2, которое приводит к ственно как точечные центры рассеяния. Дефектообразоэффективному испарению легколетучего компонента Ч вание обусловлено интенсивным испарением одного из кадмия Ч из расплава. На это указывает наличие слоя, компонентов соединения.

обедненного Cd и обогащенного Te, толщина которого составляет 10 nm. Это заметно меньше, чем толщина Список литературы расплавленного слоя ( 400 nm, согласно нашим расчетам).

[1] K. Zanio. Cadmium Telluride. V. 13. Semiconductors and Как показали эксперименты, дефектообразование в Semimetals. N.Y.ЦSan FranciscoЦLondon (1978). 235 p.

CdTe носит надпороговый характер: образование дефек[2] А.В. Двуреченский, Г.А. Качурин, Е.В. Нидаев, Л.С. Смиртов Ч точечных центров рассеяния Ч регистрируется нов. Импульсный отжиг полупроводниковых материалов.

методом РОР при плотности энергии лазерного импульМ. (1982). 208 с.

са W 50 mJ/cm2. С ростом энергии лазерного импуль[3] П.К. Кашкаров, В.Ю. Тимошенко. Поверхность. Физика, са увеличиваются концентрация дефектов и толщина дехимия, механика, 6, 5 (1995).

фектного слоя. Отметим, что толщина дефектного слоя ld [4] P.D. Brewer, J.J. Zinck, G.L. Olson. Appl. Phys. Lett. 57, 24, в несколько раз меньше толщины расплавленного слоя d.

2526 (1990).

Так, при W = 80 mJ/cm2 ld 70 nm, а величина d при [5] В.Н. Бабенцов, А. Байдуллаева, А.И. Власенко, С.И. Гортой же плотности энергии лазерного импульса, согласно бань, Б.К. Даулетмуратов, П.Е. Мозоль. ФТП 27, 10, нашим расчетам [8], составляла 235 nm. (1993).

Возможными причинами лазерно-индуцированного де- [6] В.Н. Бабенцов, А. Байдуллаева, Б.М. Булах, С.И. Горбань, П.Е. Мозоль. Поверхность. Физика, химия, механика, 12, фектообразования являются высокая скорость затвер144 (1988).

девания расплава и интенсивное испарение. Последний [7] В.В. Артамонов, М.Я. Валах, А.П. Литвинчук, В.В. Стрельпроцесс был зарегистрирован оптическими методами чук. Поверхность. Физика, химия, механика, 1, 46 (1989).

при W 100 mJ/cm2 [14]. Интенсивное испарение мо[8] F.X. Wagner, K. Dhese, P.H. Key, D. Sands, S.R. Jackson, жет привести к возникновению дефектов как вследствие R. Kirbitson, J.E. Nicholls. Appl. Surf. Sci. 86, 364 (1995).

образования слоя с нестехиометрическим составом, так [9] И.Ю. Висковатых, В.М. Лакеенков, П.К. Кашкаров, и в результате увеличения скорости затвердевания, выВ.И. Петров, В.Ю. Тимошенко, Ф.И. Хилинский. Изв. РАН.

званного оттоком тепла при испарении. Известно, что Сер. физ. 57, 9, 12 (1993).

для полупроводников группы AIIIBV последнее может [10] Л.А. Головань, В.Ю. Тимошенко, П.К. Кашкаров. Поверхвызвать неэпитаксиальное затвердевание расплава с поность. Физика, химия, механика, 10, 65 (1995).

верхности, что в свою очередь вызывает формирование [11] Ф.Ф. Комаров, М.А. Кумахов, И.С. Ташлыков. Нераздефектов приповерхностного слоя [15]. Поскольку, как рушающий анализ поверхностей твердых тел ионными уже отмечалось, компоненты CdTe характеризуются выпучками. Минск (1987). 256 с.

сокой летучестью, можно предположить, что и для дан- [12] Н.Г. Чеченин, Э.В. Монахов, К.К. Бурдель. ПТЭ, 3, ного материала дефектообразование обусловлено этим (1994).

[13] L.R. Doolitle. Nucl. Instr. Meth. B9, 344 (1985).

же механизмом. С предположением об аморфизации [14] Л.А. Головань, П.К. Кашкаров, В.Ю. Тимошенко. Письма приповерхностного слоя вследствие интенсивного испав ЖТФ21, 23, 26 (1995).

рения с поверхности хорошо согласуется тот факт, что [15] P.K. Kashkarov, V.Yu. Timoshenko, N.G. Chechenin, A.N. Obтолщина дефектного слоя заметно превосходит толщину raztsov. Laser Phys. 2, 5, 790 (1992).

слоя с измененным составом. Действительно, при испа[16] Таблицы физических величин / Под ред. И.К. Кикоина. М.

рении вещество теряет энергию mv (где Ч удельная (1976). 1008 с.

теплота испарения, mv Ч масса испаренного материала), 3 Физика твердого тела, 1998, том 40, №    Книги по разным темам