Термодинамічні та кінетичні процеси модифікування гетеросистем на телуриду кадмію, ініційовані наносекундною дією інтенсивного лазерного випромінювання
Вантажиться...
Дата
2025
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Цао Цзесян. Термодинамічні та кінетичні процеси модифікування гетеросистем на телуриду кадмію, ініційовані наносекундною дією інтенсивного лазерного
випромінювання. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії з галузі знань
10 Природничі науки за спеціальністю 105 Прикладна фізика та наноматеріали. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний
інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025.
Дисертаційні дослідження присвячені встановленню та опису закономірностей термодинамічних (нагрів, фазові переходи) та кінетичних
(дифузія, масоперенос) процесів у телуриді кадмію та гетеросистемі плівка металу/CdTe при потужному наносекундному лазерному опроміненні у різних
середовищах, і, відповідно, вирішенню проблеми формування та керованої зміни фізичних (електричних, фотоелектричних, оптичних) властивостей
поверхневих шарів даних напівпровідників при реалізації умов істотного відхилення від термодинамічної рівноваги. При теоретичному описі
експериментальних результатів буде враховано часова та просторова нелокальність у кінетичних явищах переносу.
На основі отриманих експериментальних даних і теоретичного аналізу будуть отримані принципово нові фундаментальні та науково-практичні
результати щодо формування та модифікації нано- та мікро- розмірних шарів телуриду кадмію та кремнію, оскільки потужне наносекундне лазерне
опромінення гетеросистем у різних середовищах (гази, рідини) дозволяє значно змінювати та варіювати в широкому діапазоні коефіцієнти сегрегації, дифузії і розчинності домішок, легуючих елементів та власних точкових дефектів. А також, що важливо, ефективно використовувати так званий ефект
«замороження» активованих атомів та «нетепловий» процес введення заданоголегуючого елементу за механізмом бародифузії. На основі даних досліджень в подальшому може бути створена широка гама високоефективних елементів інформаційної техніки. Проблема формування та керованої зміни фізичних (в т.ч. електричних, оптичних) властивостей напівпровідникових гетероструктур і тонкоплівкових систем при дії потужного наносекундного лазерного випромінювання, при якому реалізуються умови істотного відхилення від термодинамічної рівноваги, а особливо – в умовах порушення принципу локальної термодинамічної рівноваги. Це, відповідно, потребує вивчення та опису процесів дифузії (масопереносу) та дефектоутворення в умовах порушення даного, одного зосновних, принципів класичної термодинаміки. Такі умови, при яких відбуваються швидкі фазові перетворення та сублімація, реалізуються
наприклад при наносекундному (імпульсному) лазерному опроміненні (ІЛО) напівпровідників в області фундаментального поглинання та металів. Такий спосіб, на відміну від типових (квазірівноважних) методів вирощення та формування нано- та мікро- розмірних напівпровідникових шарів, дозволяє значно змінювати та варіювати в широкому діапазоні коефіцієнти сегрегації, дифузії і розчинності домішок, легуючих елементів, точкових дефектів у напівпровідниках та подавити ефект самокомпенсації домішкових центрів активації через так званий ефект «замороження». Наближення локальної рівноваги справедливе, якщо час релаксації, протягом якого встановлюється рівновага у макроскопічно малих (але з великою кількістю частинок) областях, набагато менше характерного часу конкретного фізичного процесу (зокрема при ІЛО), тобто швидкість руйнування рівноваги, багато менше швидкості релаксації системи до локальної рівноваги. Комплекс експериментальних та теоретичних досліджень дозволить отримати загальні закономірності термодинамічних та кінетичних процесів модифікування гетеросистем та оптимізувати умови та режими лазерного
опромінення для формування приповерхневих шарів напівпровідників із заданими електричними, фотоелектричними та оптичними характеристиками,
що може бути використано для приладних функціональних структур різноманітного призначення (наприклад, детектування ІЧ, рентгенівського та
гамма випромінювання). Термодинамічні та кінетичні процеси модифікування гетеросистем на основі кремнію та телуриду кадмію, а саме встановлення та опис закономірностей дифузії легуючих атомів та генераційно-релаксаційних процесів у дефектній підсистемі при наносекундному лазерному опроміненні
CdTe, Si та систем плівка металу/напівпровідник, коли реалізуються умови локальної часової та(або) просторової нерівноважності, сильного впливу
фізичної та геометричної нелінійностей. Зокрема відбуваються надшвидкі процеси фазових переходів - тверде тіло-газ, тверде тіло-розплав-тверде тіло з
великою швидкістю поширення фазової границі (1-20 м/с). Тобто процеси переносу легуючих атомів, домішок, вакансій та міжвузлових атомів
відбуваються в напівпровіднику при швидкості нагріву та охолодження ~1010 К/с, швидкості плавлення-кристалізації ~ 10 м/с, що співмірне зі швидкістю
поширення власне збурень концентрації. Це, з одної сторони, дозволяє отримати приповерхневі шари напівпровідників з унікальними фізичними,
електричними, фотоелектричними та оптичними характеристиками, проте з другої сторони потребує кропіткого експериментального та теоретичного
вивчення процесів дифузії та дефектоутворення в локально-нерівноважних умовах. Відповідно, на вирішення даної фундаментальної задачі і спрямовані
дисертаційні дослідження. При цьому були виміряні та проаналізовані електричні, фотоелектричні та оптичні характеристики приповерхневих шарів
CdTe після наносекундного лазерного опромінення. Новизна дисертаційних досліджень базується на детальному експериментальному та теоретичному описі процесів дифузії (масопереносу, дефектоутворення) з урахуванням часової та просторової нелокальностей при наносекундному лазерному опроміненні напівпровідників, які є базою функціональної фото- та оптоелектроніки - CdTe, систем плівка металу/CdTe, Si. Оскільки методи імпульсного лазерно-індукованого твердофазного та рідкофазного легування на сьогодні інтенсивно використовуються для формування омічних та випрямляючих контактів, формування тонких бар‘єрних, інверсійних та варізонних гомо- та гетеро- шарів із заданими електричними, фотоелектричними та фізичними характеристиками. Це необхідно при створенні структур для приладів фотоелектроніки, оптоелектроніки та сенсорної електроніки нового покоління.
Також, незважаючи на цілий напрямок робіт щодо наносекундної лазерно-індукованої модифікації приповерхневих шарів напівпровідників CdTe,
Si та гетеросиcтем на їх основі, при описі фізичних процесів в них не було враховано просторову та (або) часову нелокальності. В той же час це просто
необхідно для керування різноманітними фізичними параметрами при створенні напівпровідникових структур для функціональних елементів інформаційних систем. Метою дисертаційної роботи є дослідження термодинамічних та кінетичних процесів модифікування гетеросистем на основі телуриду кадмію,
ініційовані наносекундною дією інтенсивного лазерного випромінювання.
У дисертації було отримано наступні наукові результати: Розроблена методика лазерно-індкуваного легування і утворення p-n переходу в кристалах CdTe. Під дією лазерного випромінювання долається феномен самокомпенсації легуючих домішок і вводиться висока концентрація In в тонкий поверхневий шар CdTe і можна отримати неглибокі і гострі p-n переходи. Підтверджена перевага лазерного легування з відносно товстою легуючою плівкою In. Розроблена методика забезпечує лазерно-індуковане легування без нагріву області товстої плівки In і кристалу CdTe, уникаючи термічно індукованих змін та погіршення структури і характеристик напівпровідника. Визначено коефіцієнти масопереносу індію в CdTe у різних областях при наносекундному опроміненні ексимерним лазером структури Іn/CdTe. Отримано профіль розподілу атомів індію в телуриді кадмію р- типу після однократного опромінення структури Іn/CdTe з боку плівки індію імпульсом ексимерного (λ = 248 нм) лазера, визначена оптимальна величина густини енергії для формування інверсного приповерхневого шару (n- типу). Було знайдено що в діапазоні протяжності лазерних імпульсів в межах від 7 нс до 120 нс, поріг плавлення CdTe значно залежить від коефіцієнта поглинання α(λ). Завдяки тому що глибина теплової дифузії стає значно більше ніж глибина проникнення лазерного випромінювання в CdTe для імпульсів протяжністю довше ніж 1 мкс, вона починає залежати від спектральної
залежності коефіцієнта відбивної здатності R(λ). Було встановлено що поріг плавлення значно змінюється коли довжина хвилі випромінювання λ
змінюється для більш коротших протяжностей лазерних імпульсів τp. Встановлено, що домінуючим механізмом масопереносу при наносекундному лазерному твердофазному легуванні CdTe індієм є бародифузія. Відповідно, інтенсивне та швидке проникнення атомів індію в CdTe при наносекундному лазерному опроміненні структури Іn/CdTе обумовлене значними градієнтами термонапруг, що виникають за рахунок
швидких процесів нагріву, плавлення, паро- і плазмоутворення з «ударними» швидкостями протікання. Тому при формуванні різкого p-n- переходу на малій
глибині у CdTe при створенні детекторів доцільним є забезпечення різких градієнтів тиску, а не значний нагрів. Показано, що механізми концентраційної дифузії індію в CdTe і затягування атомів Іn фронтом лазерно-ідукованої ударної хвилі при її виникненні та поширенні не є домінуючими та визначальними механізмами масопереносу індію в структурі Іn/CdTe з товщиною плівки Іn 30-400 нм при наносекундному лазерному опроміненні. Практична цінність дисертаційної роботи полягає у тому, що розроблена методика лазерноіндкуваного легування і утворення p-n переходу в кристалах CdTe була успішно використана для виготовлення детекторів рентгенівських та γ-рентгенівських променів, які були використані в приладах з питань моніторингу та безпеки навколишнього середовища. Отримані результати показують можливість контрольованої модифікації фізичних властивостей CdTe при виготовленні структур і приладів різного призначення на їх основі шляхом зміни концентрації домішкових атомів і власних точкових дефектів у різних частинах об‘єму CdTe при ІЛО та були використані для оптимізації лазерностимульованої обробки поверхні і стимульованого легування кристалів CdTe. У вступі визначено напрями та об‘єкт дослідження, сформульовано мету і завдання, визначено методи дослідження, обґрунтовано актуальність та наукову новизну дисертаційної роботи, практичну цінність одержаних результатів та наведено дані про публікації та апробацію дисертаційних досліджень.
Перший розділ присвячено огляду та аналізу літературних даних по темі дисертаційної роботи. Розглянуто та проаналізовано роботи стосовно
модифікації фізичних властивостей CdTe при виготовленні структур і приладів різного призначення на їх основі.
У другому розділі наведено основні методи досліджень властивостей та створення досліджуваних структур на основі CdTe: технологічні процеси
підготовки кристалів CdTe для досліджень і виготовлення діодних структур In/CdTe/Au; хіміко-динамічна обробка поверхні кристалів; формування
електродів; формування легованого шару, люмінесценція, фотопровідність, дослідження вольт-амперних характеристик створених діодних структур
In/CdTe/Au.
У третьому розділі наведено результати моделювання дифузійного руху наночастинок у кристалі CdTe при лазерно-індукованому легуванні.
Застосування лазерного випромінювання для легування кристалів CdTe в аргоні доводить, що діоди In/CdTe/Au вироблені при енергетичній густині:
170 мДж/см2 мають дуже високі випрямні властивості. Зокрема, конструкція має дуже високий прямий струм при відносно малому струмі витоку. Це є
проста і реалізуєма версія теорії технології легування кристалів і формування діодних структур. Підтверджено переваги лазерного легування кристалів CdTe. Лазерне легування шляхом опромінення структури In/CdTe за допомогою наносекундних лазерних імпульсів – це твердофазний процес без нагрівання
великої кількості кристалів CdTe, що дозволяє уникнути пошкодження кристала. Під дією лазера долається феномен самокомпенсації легуючих
домішок і вводиться висока концентрація In в тонкий поверхневий шар CdTe. Отже, в області поверхні CdTe, можна отримати неглибокі і гострі p-n
переходи. Підтверджена перевага лазерного легування з відносно товстою легуючою плівкою In. Однією з ключових особливостей лазерної технології для
легування шару кристалічного CdTe p-типу з дуже високою концентрацією домішок n-типу є використання відносно товстої легуючої плівки In.
Забезпечує лазерно-індуковане легування без нагріву області товстої плівки In і кристалу CdTe, уникаючи термічно індукованих змін та погіршення
структури і характеристик напівпровідника. Розроблена методика лазерноіндкуваного легування і утворення p-n переходу в кристалах CdTe була
успішно використана для виготовлення детекторів рентгенівських та γрентгенівських променів, які були використані в приладах з питань моніторингу та безпеки навколишнього середовища.
У четвертому розділі наведено результати досліджень механізмів масопереносу індію в Cd(Zn)Te при дії наносекундних лазерних імпульсів.
Отримано профіль розподілу атомів індію в телуриді кадмію р- типу після однократного опромінення структури Іn/CdTe з боку плівки індію товщиною 30
нм імпульсом ексимерного (λ = 248 нм) лазера тривалістю p = 20 нс при густині енергії Епад = 100 мДж/см2. Дана величина густини енергії є
оптимальною для формування інверсного приповерхневого шару (n- типу). Проведено аналіз спектрів пропускання фотопровідності та фотолюмінесценції.
Виявлено, що глибина дифузії становить 100 нм і спостерігається пік при 6 нм, що вказує на перевищення дрейфової складової швидкості атомів за
дифузійну. Встановлено, що коефіцієнт масопереносу атомів Іn в CdTe при наносекундному лазерному опроміненні структури плівка In/CdTe залежить від
відстані від поверхні CdTe і зростає, що пов‘язано зі швидкою зміною з часом неоднорідної деформації кристалічної решітки (наростанням та спадом gradP) у
процесі дифузії індію. Визначено коефіцієнти масопереносу індію в CdTe у різних областях при наносекундному опроміненні ексимерним лазером
структури Іn/CdTe з товщиною плівки Іn 30 нм з боку металу при Епад = 100 мДж/см2 : D0 = 1,1·10-6 см2/с, D1 = 3,9·10-6 см2/с, D2 = 1,46·10-5 см2/с, D3 = 5,2·10-5см2/с.
У п’ятому розділі представлено результати досліджень залежності порога плавлення CdTe від довжини хвилі та часу дії імпульсу лазерного
випромінювання. Було знайдено що в діапазоні протяжності лазерних імпульсів в межах від 7 нс до 120 нс, поріг плавлення CdTe значно залежить від
коефіцієнта поглинання α(λ). Завдяки тому що глибина теплової дифузії стає значно більше ніж глибина проникнення лазерного випромінювання в CdTe для
імпульсів протяжністю довше ніж 1 мкс, вона починає залежати від спектральної залежності коефіцієнта відбивної здатності R(λ). Було встановлено
що поріг плавлення значно змінюється коли довжина хвилі випромінювання λ змінюється для більш коротших протяжностей лазерних імпульсів τp. Було
знайдено що зміни в параметрах нерівноважних надлишкових носіїв, таких як збільшення в швидкості поверхневої рекомбінації С від 103 м/с до105 м/с і
також в глибині дифузії LD від 0,4 мкм до 2 мкм може змінювати поріг плавлення CdTe щонайменше на 25%. Модуляція протяжності імпульсів
рубінового лазера в межах (20 ±5) нс приводить до 35% зміни відносного порога плавлення ΔIth/Ith. Обчислені значення порога плавлення CdTe добре
співвідносяться добре з експериментальними даними відомими з літератур. Отримані результати були використані для оптимізації лазерностимульованої
обробки поверхні і стимульованого легування кристалів CdTe.
У шостому розділі наведено результати досліджень процесів масопереносу індукованих лазерними наносекундними імпульсами та формування інверсійних і варізонних шарів в твердих розчинах на основі телуриду кадмію. Було встановлено, що домінуючим механізмом масопереносу при наносекундному лазерному твердофазному легуванні CdTe індієм є бародифузія. Відповідно, інтенсивне та швидке проникнення атомів індію в CdTe при наносекундному лазерному опроміненні структури Іn/CdTе обумовлене значними градієнтами термонапруг, що виникають за рахунок швидких процесів нагріву, плавлення, паро- і плазмоутворення з «ударними» швидкостями протікання. Тому при формуванні різкого p-n- переходу на малій глибині у CdTe при створенні детекторів доцільним є забезпечення різких градієнтів тиску, а не значний нагрів. Показано, що механізми концентраційної дифузії індію в CdTe і затягування атомів Іn фронтом лазерно-ідукованої ударної хвилі при її виникненні та поширенні не є домінуючими та визначальними механізмами масопереносу індію в структурі Іn/CdTe з товщиною плівки Іn 30-400 нм при наносекундному лазерному опроміненні.
Встановлено, що середня дрейфова швидкість переміщення атомів Іn в CdTe при наносекундному лазерному опроміненні структури Іn/CdTe при Епад = 100 мДж/см2 становить за різними розрахунками 3…24 см/с. Атоми Іn дифундують під дією механічної сили градієнту деформацій. Зроблені розрахунки в рамках даної роботи можуть бути застосовані до більшості структур плівка металу-напівпровідник для аналізу масопереносу (дифузійних процесів) у різних частинах об‘єму структури при ІЛО в процесі виготовлення різноманітних функціональних напівпровідникових структур.
Основні результати дисертаційної роботи опубліковані у 5 статтях у фахових вітчизняних та міжнародних наукових журналах (2 статті - третій квартиль міжнародних науково-метричних баз SCOPUS та WoS; 1 стаття - четвертий квартиль міжнародних науково-метричних баз SCOPUS та WoS), 2
статті у фаховому вітчизняному журналі та 4 тезах доповідей на конференціях.
Опис
Ключові слова
CdTe, CdZnTe, In/CdTe лазерне опромінення, масоперенос, легування. лазерне легування, наносекундне лазерне опромінення, ударна хвиля, дифузія, детектори рентгенівського та γ-випромінювання, In/CdTe, laser irradiation, masstransfer, doping, laser induced doping, nanosecond laser irradiation, shockwave, diffusion, X/γ-ray detectors
Бібліографічний опис
Цао Цзесян. Термодинамічні та кінетичні процеси модифікування гетеросистем на телуриду кадмію, ініційовані наносекундною дією інтенсивного лазерного випромінювання : дис. … д-ра філософії : 105 Прикладна фізика та наноматеріали / Цао Цзесян. – Київ, 2025. – 136 с.