Распределение термоупругих напряжений по поверхности монокристаллов GaAs, облучаемой лазерным импульсом

Исследовано воздействие лазерного импульса с длиной волны τP = 1 ms, λ = 0.694 μm и энергией ≤ 1 J на поверхность (111) монокристаллического GaAs. Установлено, что минимальные сдвиговые напряжения, при которых активируются процессы точечного дефектообразования, составляют ~ 100 МPа. Численным решени...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2008
Hauptverfasser:	Москаль, Д.С., Надточий, В.А.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України 2008
Schriftenreihe:	Физика и техника высоких давлений
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70449
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Распределение термоупругих напряжений по поверхности монокристаллов GaAs, облучаемой лазерным импульсом / Д.С. Москаль, В.А. Надточий // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 2. — С. 154-160. — Бібліогр.: 20 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-70449
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-704492014-11-07T03:01:42Z Распределение термоупругих напряжений по поверхности монокристаллов GaAs, облучаемой лазерным импульсом Москаль, Д.С. Надточий, В.А. Исследовано воздействие лазерного импульса с длиной волны τP = 1 ms, λ = 0.694 μm и энергией ≤ 1 J на поверхность (111) монокристаллического GaAs. Установлено, что минимальные сдвиговые напряжения, при которых активируются процессы точечного дефектообразования, составляют ~ 100 МPа. Численным решением уравнения теплопроводности найдено распределение температур и механических напряжений на поверхности полупроводника для случая импульсного лазерного облучения. Action of the laser pulse (τP = 1 ms, λ = 0.694 μm and energy ≤ 1 J) on the surface (111) of GaAs single crystal has been investigated. It was established that the process of defects formation is activated at shear strain up to ~ 100 MPa. Temperature and strain fields were determined by numerical solution of heat conduction equation for the case of pulsed laser irradiation of semiconductor surface. 2008 Article Распределение термоупругих напряжений по поверхности монокристаллов GaAs, облучаемой лазерным импульсом / Д.С. Москаль, В.А. Надточий // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 2. — С. 154-160. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 71.10.–W http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70449 ru Физика и техника высоких давлений Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Исследовано воздействие лазерного импульса с длиной волны τP = 1 ms, λ = 0.694 μm и энергией ≤ 1 J на поверхность (111) монокристаллического GaAs. Установлено, что минимальные сдвиговые напряжения, при которых активируются процессы точечного дефектообразования, составляют ~ 100 МPа. Численным решением уравнения теплопроводности найдено распределение температур и механических напряжений на поверхности полупроводника для случая импульсного лазерного облучения.
format	Article
author	Москаль, Д.С. Надточий, В.А.
spellingShingle	Москаль, Д.С. Надточий, В.А. Распределение термоупругих напряжений по поверхности монокристаллов GaAs, облучаемой лазерным импульсом Физика и техника высоких давлений
author_facet	Москаль, Д.С. Надточий, В.А.
author_sort	Москаль, Д.С.
title	Распределение термоупругих напряжений по поверхности монокристаллов GaAs, облучаемой лазерным импульсом
title_short	Распределение термоупругих напряжений по поверхности монокристаллов GaAs, облучаемой лазерным импульсом
title_full	Распределение термоупругих напряжений по поверхности монокристаллов GaAs, облучаемой лазерным импульсом
title_fullStr	Распределение термоупругих напряжений по поверхности монокристаллов GaAs, облучаемой лазерным импульсом
title_full_unstemmed	Распределение термоупругих напряжений по поверхности монокристаллов GaAs, облучаемой лазерным импульсом
title_sort	распределение термоупругих напряжений по поверхности монокристаллов gaas, облучаемой лазерным импульсом
publisher	Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
publishDate	2008
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70449
citation_txt	Распределение термоупругих напряжений по поверхности монокристаллов GaAs, облучаемой лазерным импульсом / Д.С. Москаль, В.А. Надточий // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 2. — С. 154-160. — Бібліогр.: 20 назв. — рос.
series	Физика и техника высоких давлений
work_keys_str_mv	AT moskalʹds raspredelenietermouprugihnaprâženijpopoverhnostimonokristallovgaasoblučaemojlazernymimpulʹsom AT nadtočijva raspredelenietermouprugihnaprâženijpopoverhnostimonokristallovgaasoblučaemojlazernymimpulʹsom
first_indexed	2025-07-05T19:41:09Z
last_indexed	2025-07-05T19:41:09Z
_version_	1836837209498451968
fulltext	Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3 154 PACS: 71.10.–W Д.С. Москаль, В.А. Надточий РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМОУПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ ПО ПОВЕРХНОСТИ МОНОКРИСТАЛЛОВ GaAs, ОБЛУЧАЕМОЙ ЛАЗЕРНЫМ ИМПУЛЬСОМ Славянский государственный педагогический университет ул. Г. Батюка, 19, г. Славянск, 84116, Украина E-mail: slavgpi@slav.dn.ua, dsmosk@mail.ru Статья поступила в редакцию 27 июня 2007 года Исследовано воздействие лазерного импульса с длиной волны τP = 1 ms, λ = 0.694 μm и энергией ≤ 1 J на поверхность (111) монокристаллического GaAs. Установлено, что минимальные сдвиговые напряжения, при которых активируются процессы точечного дефектообразования, составляют ~ 100 МPа. Численным решением уравнения теплопроводности найдено распределение температур и механических напряжений на поверхности полупроводника для случая импульсного лазерного об- лучения. Знание основных физических закономерностей микропластической де- формации поверхностных слоев полупроводников при температуре выше и ниже температурного порога хрупкости важно для понимания процессов структурной релаксации в гетеросистемах [1,2]. Одна из характерных осо- бенностей полупроводниковых приборных структур – присутствие внутрен- них механических напряжений. Эти напряжения могут менять зонный спектр кристалла, подвижность носителей, но наиболее важной является их способность к релаксации, в процессе которой происходит генерация дефек- тов. Высокого уровня термоупругие напряжения в приповерхностных слоях могут возникать и при мощном лазерном облучении полупроводника, вслед- ствие чего существенно изменяется его кристаллическая структура и прак- тически все физические свойства [3]. В данной работе исследуются механизмы микродеформации приповерх- ностных слоев GaAs при облучении кристалла миллисекундным лазерным импульсом с гауссовым распределением интенсивности. При таком воздей- ствии вдоль радиуса лазерного пятна на поверхности создаются термоупру- гие напряжения, которые можно оценить теоретически. Учитывая инерци- онность тепловых процессов, при кратковременном импульсном лазерном воздействии можно рассматривать термоупругие напряжения, возникающие Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3 155 лишь в тонком поверхностном слое кристалла [4,5]. При расчетах использо- вали зависимости величин компонент тензора податливости от температуры Т [6], а распределение модуля Юнга для различных направлений в плоско- сти кристалла определяли по формуле [7]: 1 2 1 2 3 2 3 2 2 2 2 2 144121111 ))( 2 1(2 − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ++−−−= llllllSSSSE , (1) где l1, l2, l3 – координаты единичного вектора направления; S11, S12, S44 – компоненты тензора упругой податливости, величины которых изменяются с ростом температуры. Используя аналитическую зависимость коэффициен- та теплового расширения [8], можно определить величину квазиупругой де- формации как 0 0 63.56( ln ) 14.31 10T T T TT T T T −⎡ ⎤ε = − − ⋅ ⎣ ⎦ (2) без учета ее анизотропии в решетке GaAs, имеющей кубическую симмет- рию. Здесь T0 – начальная температура поверхности. С помощью специально разработанной компьютерной программы по найденным значениям E и ε было получено анизотропное распределение напряжений σ на плоскостях (100), (111) и (110) от точечного участка, на- гретого до предплавильной температуры (рис. 1). Как видим, максималь- ные значения термоупругих напряжений действуют в направлениях 〈110〉 (рис. 1,а) и 〈111〉 (рис. 1,б,в). При возрастании температуры поверхности до температуры плавления Tm термоупругие напряжения вдоль указанных направлений достигают значений в пределах 1.2–1.5 GPа. Наибольший интерес представляют расчеты максимальных напряжений, действующих на плоскости (111) вдоль направлений 〈111〉, поскольку они дают воз- можность оценить предельный уровень лазерного воздействия, не до- пускающий разрушения кристалла ни в одной из указанных выше плос- костей. В противном случае трещинообразование будет сопровождаться релаксацией напряжений, и расчетные значения σ окажутся недействи- тельными. а б в Рис. 1. Распределение максимальных термоупругих напряжений на кристаллогра- фических поверхностях GaAs: a – (100), б – (110), в – (111) Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3 156 Найдем распределение напряжений σ для разных точек на облучаемой поверхности (111) вдоль направления [111–] от центра лазерного пятна. Энергия импульсного лазерного облучения, поглощаемая поверхностью по- лупроводника, является функцией времени, и поэтому важно установить временные и температурные зависимости распределения возникающих тер- моупругих напряжений. Для гауссового распределения интенсивности по сечению лазерного луча тепловой поток через элементарную площадку по- верхности определяется по формуле [9]: ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = 0 2 2 0 2 πcos π 363.3 r r r Wqr при r ≤ r0, (3) где r – расстояние от центра в пределах лазерного пятна, r0 – радиус луча, W – полная энергия излучения в импульсе. Наши расчеты могут быть использованы для одномодового лазера, работаю- щего на основной моде ТЕМ00 [10]. Изменение оптической мощности лазер- ного излучения с течением времени t можно определить из выражения [9]: ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −= PPP ttWtP τ πsin τ πexp τ 023.6)( , (4) где τP – длительность импульса. Важно отметить, что для миллисекундного импульса свободной генерации максимальное значение мощности, вычис- ленное по формуле (4), достигается через 0.3 ms. Введение оптической мощ- ности в кристалл приводит к повышению температуры облучаемой поверх- ности, а ее изменение во времени можно определить из уравнения теплопро- водности [11]: g z Tk zt Tc +⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ ∂ ∂ = ∂ ∂ρ , (5) где c – удельная теплоемкость, ρ – плотность вещества, z – координата в на- правлении нормали к поверхности, k – коэффициент теплопроводности, g – тепловая мощность, выделяющаяся в единице объема вещества в результате поглощения светового излучения. В тонком поверхностном слое толщиной h тепловая мощность g = hqrαP, где α – коэффициент поглощения света поверхностью. В расчетах величину h принимали равной 100 nm, поскольку на такой глубине происходит по- глощение лазерного излучения с энергией кванта, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника [4]. Для учета температурной зависимо- сти параметров c, k и α использовали аналитические выражения [8]: c = 350(1 – exp(–0.00755T), (6) k = 10 + 1300exp(–0.011T), (7) α = 0.7173 – 0.009015lnT. (8) Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3 157 Рис. 2. Распределение температуры вдоль радиуса лазерного пятна в разные мо- менты времени (числа на прямых, ms) от начала действия импульса Температуру тыльной поверхности кристалла принимали постоянной и рав- ной T0. Решение уравнения (5) методом сеток [11] позволило установить, что пороговое значение плотности энергии qm при облучении поверхности GaAs миллисекундным лазерным импульсом составляет 50 J/cm2, а макси- мум температуры (рис. 2), как и максимум деформации (2), достигается че- рез 0.4 ms от начала действия импульса. Для исследования структурных из- менений, происходящих на поверхности GaAs в результате допорогового лазерного воздействия, мощность лазерных импульсов выбирали меньше qm. Методика эксперимента В эксперименте использовали образцы монокристаллического GaAs мар- ки АГЧТ-1-25-а1. Для получения плоскопараллельных поверхностей образ- цы шлифовали порошками АСМ-3, АСМ-1 и затем полировали на полиро- вальном круге. После механической обработки образцы промывали в хло- роформе, спирте и дистиллированной воде. Нарушенный дефектный слой удаляли химической полировкой в растворе 3 Н2SO4 : 1 H2O2 : 1 H2O [12]. Подготовленные поверхности подвергали лазерному облучению на установке УИГ-1М с рубиновым оптическим квантовым генератором (λ = 0.694 µm). Облучение создавали одиночными импульсами свободной генерации мил- лисекундной длительности (τP = 1 ms) при нормальном падении лазерного луча. Энергия в импульсе не превышала 1 J, диаметр облучаемой зоны был порядка 3 mm. Максимальная плотность энергии при гауссовом распределе- нии интенсивности (см. (3)) достигалась в центре лазерного пятна и состав- ляла 50 J/сm2. Указанная величина qm соответствует литературным данным Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3 158 [13] о пороговом значении плотности энергии миллисекундного импульсно- го лазерного облучения. Структурные изменения на поверхности и по глу- бине облучаемой зоны кристалла выявляли путем кратковременного травле- ния в растворе АВ (2 H2O : 0.008 AgNO3 : 1 CrO3 : 1 HF) [12]. Результаты и обсуждение Структуры, полученные в результате облучения GaAs лазерным импульсом с максимальной плотностью энергии qm, представлены на рис. 3. По характеру структурных нарушений на облученной поверхности можно выделить три зоны: I – область трещинообразования (рис. 3,а), выявленную вблизи центра лазерного пятна; II – зону, в которой преимущественно наблюдаются линии скольжения (рис. 3,б), и периферийную зону III с характерным структурным фоном (рис. 3,в). Вследствие кратковременного химического травления выявилась граница (рис. 3,в), разделяющая дефектную область (слева) и совершенную часть кристалла. Путем теоретических расчетов и графических построений установлено, что воз- никновение трещин на поверхности происходит при T > 800 K. При более низких температурах образуются линии скольжения (рис. 3,б) из 60°-ных дислокаций, ориентированных в системе плоскостей типа {111} [14]. Особый интерес представляет исследование периферийных областей ла- зерного пятна (рис. 3,в), так как здесь модификация поверхности не связана с его разрушением и дислокационным скольжением, а обусловлена только структурной перестройкой в системе точечных дефектов. Знание пороговых температур и напряжений, в пределах которых образуются лишь точечные дефекты в приповерхностных слоях, позволяет развивать новый подход к управлению свойствами полупроводников, основанный на формировании в полупроводниковой матрице наноразмерных кластеров [15–17]. В их состав могут входить атомы собственных компонентов, а также собственные то- чечные дефекты кристаллической решетки. а б в Рис. 3. Характерные структурные области на облученной поверхности GaAs, выяв- ленные на различных расстояниях от центра лазерного пятна: а – область трещино- образования, наблюдаемая в центре облученной поверхности; б – зона с преимуще- ственным скольжением дислокаций; в – периферийная область с границей раздела дефектной и совершенной частей кристалла, левый участок содержит повышенную концентрацию точечных дефектов Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3 159 Из сопоставления результатов теоретических расчетов (см. рис. 2) и пря- мых структурных данных (рис. 3) найдено, что температура на границе ме- жду II и III зонами в процессе облучения достигает 850 K. Для указанной температуры по формуле (3) была определена граничная плотность энергии лазерного луча qb = 25 J/cm2. При облучении кристаллов GaAs с уровнем флюенса ≤ qb разрушения поверхности не происходит, структурную же пе- рестройку в зоне облучения можно связать с формированием дефектов ис- ключительно точечного типа. Нижней границе начала генерации точечных дефектов соответствует T ≅ 400 K, а найденное по формулам (1) и (2) значе- ние термонапряжения составляет σ ~ 100 MPa, что близко к известным ли- тературным данным [4,18–20]. Выводы 1. В работе установлено, что для модификации поверхности GaAs путем создания лишь точечных дефектов плотность энергии падающего лазерного излучения миллисекундной длительности не должна превышать qb ≤ 25 J/cm2. 2. Найдены предельные значения температур и радиальных напряжений, при которых активируются процессы точечного дефектообразования на об- лучаемой поверхности. Результаты работы могут быть полезными в техно- логии создания новых атомных структур методом лазерной модификации поверхностных слоев GaAs [15–17]. 1. Ю.А. Тхорик, Л.С. Хазан, Пластическая деформация и дислокации несоответст- вия в гетероэпитаксиальных системах, Наукова думка, Киев (1983). 2. Ж.И. Алферов, УФН 172, 1068 (2002). 3. В.П. Алехин, Ю.М. Литвинов, Н.Ф. Моисеенко, А.Н. Молоствов, ФХОМ № 2, 32 (1985). 4. П.К. Кашкаров, В.Ю. Тимошенко, Поверхность № 6, 5 (1995). 5. K. Sadra, Appl. Surface Sci. 125, 325 (1998). 6. Ю.А. Буренков, Ю.М. Бурдуков, С.Ю. Давыдов, С.П. Никаноров, ФТТ 15, 1757 (1973). 7. Дж. Най, Физические свойства кристаллов, Мир, Москва (1967). 8. D.S. Moskal, L.L. Fedorenko, M.M. Yusupov, M.M. Golodenko, Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics 10, № 3, 80 (2007). 9. В.А. Надточий, В.П. Алехин, Н.К. Нечволод, Н.Н. Голоденко, Д.С. Москаль, ФХОМ № 4, 9 (2003). 10. Ф. Качмарек, Введение в физику лазеров, Мир, Москва (1981), с. 45–48. 11. В.O. Надточій, М.К. Нечволод, М.М. Голоденко, Д.С. Москаль, Вісник Харків- ського національного університету, серія «Фізика» № 601, в. 8, 130 (2005). 12. З.Ю. Готра, Технология микроэлектронных устройств, Радио и связь, Москва (1991). 13. С.С. Варшава, І.В. Курило, В.І. Кучма, УФЖ 36, 1521 (1991). 14. Ю.А. Концевой, Ю.М. Литвинов, Э.А. Фаттахов, Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур, Радио и связь, Москва (1982). Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 3 160 15. М.Г. Мильвидский, В.В. Чалдышев, ФТП 32, 513 (1998). 16. D. Moskal, V. Nadtochiy, N. Golodenko, Functional Materials 13, 100 (2006). 17. С.В. Винценц, А.В. Зайцева, В.Б. Зайцев, Г.С. Плотников, ФТП 38, 257 (2004). 18. А.З. Грасюк, И.Г. Зубарев, ФТП 3, 677 (1969). 19. M. Bertolotti, G. Vitali, Current topics in materials science, 8, North-Holland publ. company, Amsterdam (1982). 20. К.К. Джаманбалин, А.Г. Дмитриев, Э.Н. Сокол-Номоконов, Ю.И. Уханов, ФХОМ № 2, 20 (1990). D. Moskal, V. Nadtochiy DISTRIBUTION OF THERMOELASTIC STRESSES IN SURFACE OF GaAs SINGLE CRYSTALS IRRADIATED BY LASER PULSE Action of the laser pulse (τP = 1 ms, λ = 0.694 μm and energy ≤ 1 J) on the surface (111) of GaAs single crystal has been investigated. It was established that the process of defects formation is activated at shear strain up to ~ 100 MPa. Temperature and strain fields were determined by numerical solution of heat conduction equation for the case of pulsed laser irradiation of semiconductor surface. Fig. 1. Distribution of the maximum thermoelastic stresses in different crystallographic surfaces of GaAs: a – (100), б – (110), в – (111) Fig. 2. Temperature distribution along the radius of laser spot at different time moments (numerals on the curves, ms) of pulse action Fig. 3. Characteristic structures formed on the GaAs surface after irradiation. Image taken at different distances from the laser spot center: а – cracking zone in the central region; б – dislocation sliding zone; в – periphery zone with the boundary between defective and un- disturbed parts, the left part includes increased concentration of point defects

Распределение термоупругих напряжений по поверхности монокристаллов GaAs, облучаемой лазерным импульсом

Institution

Ähnliche Einträge