Термодинамічні та кінетичні процеси модифікування гетеросистем на телуриду кадмію, ініційовані наносекундною дією інтенсивного лазерного випромінювання

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorСтронський, Олександр Володимирович
dc.contributor.advisorЛевицький, Сергій Миколайович
dc.contributor.authorЦао Цзесян
dc.date.accessioned2025-06-10T12:32:28Z
dc.date.available2025-06-10T12:32:28Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractЦао 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.
dc.description.abstractotherCao Zexiang. Thermodynamic and kinetic processes of modification of heterosystems on cadmium telluride initiated by nanosecond action of intense laser radiation. – Qualifying scientific work on manuscript rights. Dissertation for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy in the field of knowledge 10 Natural sciences in the specialty 105 Applied physics and nanomaterials. - National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2025. Dissertation studies are devoted to establishing and describing regularities of thermodynamic (heating, phase transitions) and kinetic (diffusion, mass transfer) processes in cadmium telluride and the metal film/CdTe heterosystem under powerful nanosecond laser irradiation in various environments. and, accordingly, solving the problem of formation and controlled change of the physical (electrical, photoelectric, optical) properties of the surface layers of these semiconductors when implementing conditions of significant deviation from thermodynamic equilibrium. The theoretical description of the experimental results will take into account temporal and spatial non-locality in the kinetic transfer phenomena. Based on the obtained experimental data and theoretical analysis, fundamentally new fundamental and scientific-practical results will be obtained regarding the formation and modification of nano- and micro-sized layers of cadmium and silicon telluride, because powerful nanosecond laser irradiation of heterosystems in various media (gases, liquids) allows to significantly change and vary in a wide range the coefficients of segregation, diffusion and solubility of impurities, alloying elements and intrinsic point defects. And also, what is important, effectively use the so-called effect of "freezing" of activated atoms and the "non-thermal" process of introducing a given doping element by the barodiffusion mechanism. On the basis of these studies, a wide range of highly effective elements of information technology can be created in the future. The problem of the formation and controlled change of the physical (including electrical, optical) properties of semiconductor heterostructures and thin-film systems under the action of powerful nanosecond laser radiation, in which conditions of significant deviation from thermodynamic equilibrium are realized, and especially in conditions of violation of the principle of local thermodynamic equilibrium. This, accordingly, requires the study and description of the processes of diffusion (mass transfer) and defect formation in conditions of violation of this, one of the main principles of classical thermodynamics. Such conditions, under which rapid phase transformations and sublimation occur, are realized, for example, during nanosecond (pulse) laser irradiation (ILO) of semiconductors in the field of fundamental absorption and metals. This method, in contrast to typical (quasiequilibrium) methods of growing and forming nano- and micro-sized semiconductor layers, makes possible to significantly change and vary in a wide range the coefficients of segregation, diffusion and solubility of impurities, doping elements, point defects in semiconductors and suppress the effect of self-compensation impurity activation centers due to the so-called "freezing" effect. The approximation of local equilibrium is valid if the relaxation time during which equilibrium is established in macroscopically small (but with a large number of particles) regions is much less than the characteristic time of a specific physical process (in particular, in the case of ILO), i.e., the rate of equilibrium destruction is much less than the rate of relaxation of the system to the local balance. A complex of experimental and theoretical studies will allow to obtain general regularities of thermodynamic and kinetic processes of heterosystem modification and to optimize conditions and regimes of laser irradiation for the formation of nearsurface layers of semiconductors with specified electrical, photoelectric and optical characteristics, which can be used for instrumented functional structures of various applicatons (for example, detection of IR, X-ray and gamma radiation). Thermodynamic and kinetic processes of modification of heterosystems based on silicon and cadmium telluride, namely establishment and description of laws of diffusion of alloying atoms and generation-relaxation processes in the defective subsystem during nanosecond laser irradiation of CdTe, Si and metal film/semiconductor systems, when conditions of local temporal and/or spatial imbalance, strong influence of physical and geometric nonlinearities are realized. In particular, ultrafast processes of phase transitions occur - solid-gas, solidmelt-solid with a high speed of propagation of the phase boundary (1-20 m/s). That is, the transfer processes of dopant atoms, impurities, vacancies, and interstitial atoms occur in the semiconductor at a heating and cooling rate of ~1010 K/s, a meltingcrystallization rate of ~10 m/s, which is commensurate with the speed of propagation of concentration disturbances. This, on the one hand, makes it possible to obtain nearsurface layers of semiconductors with unique physical, electrical, photoelectric and optical characteristics, but on the other hand, it requires detail experimental and theoretical study of diffusion processes and defect formation in locally nonequilibrium conditions. Accordingly, the dissertation research is aimed at solving this fundamental problem. At the same time, the electrical, photoelectric and optical characteristics of the near-surface CdTe layers after nanosecond laser irradiation were measured and analyzed. The novelty of the dissertation research is based on a detailed experimental and theoretical description of diffusion processes (mass transfer, defect formation) taking into account temporal and spatial nonlocality during nanosecond laser irradiation of semiconductors, which are the basis of functional photo- and optoelectronics - CdTe, metal film/CdTe, Si systems, etc. The methods of pulsed laser-induced solid-phase and liquid-phase doping are currently intensively used for the formation of ohmic and rectifying contacts, the formation of thin barrier, inversion and varizon homo- and hetero-layers with specified electrical, photoelectric and physical characteristics. This is necessary when creating structures for devices of photoelectronics, optoelectronics and sensor electronics of a new generation. Also, despite a whole line of work on nanosecond laser-induced modification of the near-surface layers of CdTe, Si semiconductors and heterosystems based on them, spatial and (or) temporal non-locality was not taken into account when describing physical processes. At the same time, it is simply necessary to control various physical parameters when creating semiconductor structures for functional elements of information systems. The aim of the dissertation is to study the thermodynamic and kinetic processes of modification of heterosystems based on cadmium telluride, initiated by the nanosecond action of intense laser radiation. The following scientific results were obtained in the dissertation: The method of laser-induced doping and formation of a p-n junction in CdTe crystals has been developed. Under the influence of laser radiation, the phenomenon of self-compensation of alloying impurities is overcome and a high concentration of In is introduced into the thin surface layer of CdTe, and shallow and sharp p-n transitions can be obtained. The advantage of laser alloying with a relatively thick alloying film of In has been confirmed. The developed technique provides laser-induced doping without heating the region of the thick In film and CdTe crystal, avoiding thermally induced changes and deterioration of the structure and characteristics of the semiconductor. Mass transfer coefficients of indium in CdTe were determined in different regions during nanosecond irradiation of the In/CdTe structure with an excimer laser. The distribution profile of indium atoms in p-type cadmium telluride was obtained after a single irradiation of the In/CdTe structure from the side of the indium film with an excimer (λ = 248 nm) laser pulse, and the optimal value of the energy density for the formation of the inverse near-surface layer (n-type) was determined. It was found that in the laser pulse length range from 7 ns to 120 ns, the melting threshold of CdTe significantly depends on the absorption coefficient α(λ). Due to the fact that the depth of thermal diffusion becomes significantly greater than the penetration depth of laser radiation in CdTe for pulses longer than 1 μs, it begins to depend on the spectral dependence of the reflectivity coefficient R(λ). It was established that the melting threshold changes significantly when the radiation wavelength λ changes for shorter lengths of laser pulses ηp. It was established that the dominant mechanism of mass transfer during nanosecond laser solid-phase doping of CdTe with indium is baro-diffusion. Accordingly, the intense and rapid penetration of indium atoms into CdTe during nanosecond laser irradiation of the In/CdTe structure is due to significant gradients of thermal stresses arising due to rapid processes of heating, melting, vapor and plasma formation with "shock" flow rates. Therefore, when forming a sharp p-n junction at a shallow depth in CdTe, when creating detectors, it is advisable to provide sharp pressure gradients, rather than significant heating. It is shown that the mechanisms of concentration diffusion of indium in CdTe and entrainment of In atoms by the laser-induced shock wave front during its occurrence and propagation are not the dominant and determining mechanisms of indium mass transfer in the In/CdTe structure with an In film thickness of 30-400 nm under nanosecond laser irradiation. The practical value of the dissertation is that the developed technique of laserinduced doping and formation of a p-n junction in CdTe crystals was successfully used for the manufacture of X-ray and γ-ray detectors, which were used in devices for environmental monitoring and safety. The obtained results show the possibility of controlled modification of the physical properties of CdTe in the manufacture of structures and devices for various purposes based on them by changing the concentration of impurity atoms and intrinsic point defects in different parts of the CdTe volume during ILO and were used to optimize laser-stimulated surface treatment and stimulated doping of CdTe crystals . The introduction defines the directions and object of research, formulates the goal and tasks, defines research methods, substantiates the relevance and scientific novelty of the dissertation work, the practical value of the obtained results, and provides data on the publication and approval of dissertation research. The first chapter is devoted to the review and analysis of literary data on the topic of the dissertation. Works related to the modification of the physical properties of CdTe in the manufacture of structures and devices for various purposes based on them were considered and analyzed. The second chapter presents the main methods of studying the properties and creating the studied structures based on CdTe: technological processes of preparing CdTe crystals for research and manufacturing of diode structures In/CdTe/Au; chemical-dynamic treatment of the surface of crystals; electrode formation; doped layer formation, luminescence, photoconductivity, study of volt-ampere characteristics of the created diode structures In/CdTe/Au. The third chapter presents the results of modeling the diffusion movement of nanoparticles in a CdTe crystal during laser-induced doping. The use of laser radiation for doping CdTe crystals in argon proves that In/CdTe/Au diodes produced at an energy density of 170 mJ/cm2 have very high rectifying properties. In particular, the design has a very high forward current with a relatively low leakage current. This is a simple and practical version of the theory of doping crystals and forming diode structures. The advantages of laser doping of CdTe crystals have been confirmed. Laser doping by irradiating the In/CdTe structure with nanosecond laser pulses is a solid-phase process without heating large amounts of CdTe crystals, which avoids crystal damage. Under the action of the laser, the phenomenon of self-compensation of doping impurities is overcome and a high concentration of In is introduced into the thin surface layer of CdTe. Therefore, in the area of the surface of CdTe, shallow and sharp p-n transitions can be obtained. The advantage of laser doping with a relatively thick doping film of In has been confirmed. One of the key features of the laser technology for doping a p-type crystalline CdTe layer with a very high concentration of n-type impurities is the use of a relatively thick In doping film. It provides laserinduced doping without heating the region of the thick In film and CdTe crystal, avoiding thermally induced changes and deterioration of the structure and characteristics of the semiconductor. The developed technique of laser-induced doping and formation of a p-n junction in CdTe crystals was successfully used for the manufacture of X-ray and γ-ray detectors, which were used in devices for environmental monitoring and safety. The fourth chapter presents the results of studies of the mechanisms of indium mass transfer in Cd(Zn)Te under the action of nanosecond laser pulses. The distribution profile of indium atoms in p-type cadmium telluride was obtained after a single irradiation of the In/CdTe structure from the indium film with a thickness of 30 nm by an excimer (λ = 248 nm) laser pulse with a duration of p = 20 ns at an energy density Epad = 100 mJ/cm2. This value of the energy density is optimal for the formation of an inverse near-surface layer (n-type). The analysis of transmission, photoconductivity and photoluminescence spectra has been carried out. It was found that the depth of diffusion is 100 nm and a peak is observed at 6 nm, which indicates that the drift component of the speed of atoms exceeds the diffusion one. It was established that the mass transfer coefficient of In atoms in CdTe during nanosecond laser irradiation of the In/CdTe film structure depends on the distance from the CdTe surface and increases, which is associated with a rapid change over time in the inhomogeneous deformation of the crystal lattice (rise and fall of gradP) in the process of indium diffusion. The mass transfer coefficients of indium in CdTe were determined in different regions during nanosecond irradiation with an excimer laser of the In/CdTe structure with an In film thickness of 30 nm from the metal side at Epad = 100 mJ/cm2 : D0 = 1.1·10-6 cm 2/s, D1 = 3.9·10-6 cm 2/s, D2= 1.46·10-5cm2/s, D3 = 5.2·10-5cm 2/s. The fifth chapter presents the studies results of the CdTe melting threshold dependence on the wavelength and duration of the laser radiation pulse. It was found that in the laser pulse length range from 7 ns to 120 ns, the melting threshold of CdTe significantly depends on the absorption coefficient α(λ). Due to the fact that the depth of thermal diffusion becomes significantly greater than the penetration depth of laser radiation in CdTe for pulses longer than 1 μs, it begins to depend on the spectral dependence of the reflectivity coefficient R(λ). It was established that the melting threshold changes significantly when the radiation wavelength λ changes for shorter lengths of laser pulses ηp. It was established that the melting threshold changes significantly when the radiation wavelength λ changes for shorter lengths of laser pulses ηp. It was found that changes in non-equilibrium excess carrier parameters, such as an increase in the surface recombination rate of C from 103 m/s to 105 m/s and also in the LD diffusion depth from 0.4 μm to 2 μm can change the melting threshold of CdTe by at least 25% . Modulation of the ruby laser pulse length within (20 ±5) ns leads to a 35% change in the relative melting threshold ΔIth/Ith. The calculated values of the melting threshold of CdTe correlate well with the experimental data known from the literature. The obtained results were used to optimize laser-stimulated surface treatment and stimulated alloying of CdTe crystals. The six chapter presents the results of studies of mass transfer processes induced by laser nanosecond pulses and the formation of inversion and varison layers in solid solutions based on cadmium tellride. It was established that the dominant mechanism of mass transfer during nanosecond laser solid-phase doping of CdTe with indium is baro-diffusion. Accordingly, the intense and rapid penetration of indium atoms into CdTe during nanosecond laser irradiation of the In/CdTe structure is due to significant gradients of thermal stresses arising due to rapid processes of heating, melting, vapor and plasma formation with "shock" flow rates. Therefore, when forming a sharp p-n junction at a shallow depth in CdTe, during detectors fabricaton, it is advisable to provide sharp pressure gradients, rather than significant heating. It is shown that the mechanisms of concentration diffusion of indium in CdTe and entrainment of In atoms by the laser-induced shock wave front during its occurrence and propagation are not the dominant and determining mechanisms of indium mass transfer in the In/CdTe structure with an In film thickness of 30-400 nm under nanosecond laser irradiation. It was established that the average drift speed of movement of In atoms in CdTe during nanosecond laser irradiation of the In/CdTe structure at Epad = 100 mJ/cm2 is, according to various calculations, 3...24 cm/s. In atoms diffuse under the influence of the mechanical force of the deformation gradient. The calculations made in the framework of this work can be applied to most metal-semiconductor film structures for the analysis of mass transfer (diffusion processes) in different parts of the volume of the structure during ILO in the manufacturing process of various functional semiconductor structures. The main results of the dissertation were published in 5 articles in specialized domestic and international scientific journals (2 papers - the third quartile of the SCOPUS and WoS international scientific and metric databases; 1 paper - the fourth quartile of the SCOPUS and WoS international scientific and metric databases), 2 articles in a specialized national collection of papers and 4 abstracts of reports at conferences.
dc.format.extent136 с.
dc.identifier.citationЦао 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.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/74167
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectCdTe
dc.subjectCdZnTe
dc.subjectIn/CdTe лазерне опромінення
dc.subjectмасоперенос
dc.subjectлегування. лазерне легування
dc.subjectнаносекундне лазерне опромінення
dc.subjectударна хвиля
dc.subjectдифузія
dc.subjectдетектори рентгенівського та γ-випромінювання
dc.subjectIn/CdTe
dc.subjectlaser irradiation
dc.subjectmasstransfer
dc.subjectdoping
dc.subjectlaser induced doping
dc.subjectnanosecond laser irradiation
dc.subjectshockwave
dc.subjectdiffusion
dc.subjectX/γ-ray detectors
dc.subject.udc539.264, 535.375.54, 535.4, 537.533.35
dc.titleТермодинамічні та кінетичні процеси модифікування гетеросистем на телуриду кадмію, ініційовані наносекундною дією інтенсивного лазерного випромінювання
dc.title.alternativeThermodynamic and kinetic processes of modification of heterosystems on cadmium telluride initiated by nanosecond action of intense laser radiation
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Cao_Zexiang_dys.pdf
Розмір:
3.45 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ПФ)
Дисертації (вільний доступ)