https://doi.org/10.15407/iopt.2024.59.124
Optoelectron. Semicond. Tech. 59, 124-132 (2024)
S.M. Levytskyi, Z. Cao*, A.V. Stronski
LASER-INDUCED NANOSECOND PULSE PROCESSES OF MASS TRANSFER AND FORMATION OF INVERSION AND VARIZON LAYERS IN SOLID SOLUTIONS BASED ON CADMIUM TELLURIDE
In this work, such non-linear simultaneously occurring physical processes as thermo- and baro-diffusion, concentration diffusion, the process of emergence and propagation of a shock wave during nanosecond laser irradiation of metal film (In)/CdTe structures were studied. The dominant mechanism of mass transfer is established. Spectra of low-temperature photoluminescence of CdTe after irradiation of its surface and In/p-CdTe structure were obtained. It was established that after the laser-induced introduction of indium, the intensity of photoluminescence increases in the short-wavelength region - in the region of free excitons. At the same time, it was established that an n-type inversion layer is formed. It was found that the maximum of the indium distribution at 6 nm corresponds to the minimum of the cadmium distribution, which indicates the diffusion of internodal In atoms through Cd vacancies.
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 calculated average drift rate of diffusion of In atoms in CdTe, the obtained value of the rate of laser-induced mass transfer of In in CdTe is commensurate with the rate of diffusion of metal atoms in some semiconductors under pulsed laser irradiation.
The calculations made in the framework of this work can be applied to most structures of a metal-semiconductor film for the analysis of mass transfer (diffusion processes) in different parts of the volume of the structure during pulsed laser irradiation in the process of manufacturing various functional semiconductor structures.
Keywords: CdTe, CdZnTe, laser irradiation, mass transfer, doping, nanosecond laser irradiation, shock wave, diffusion, In/CdTe.
References
1. Gnatyuk V.A., Aoki T.,. Niraula M. and Hatanaka Y. Influence of laser irradiation and laser-induced In doping on the photoluminescence of CdTe crystals. Semicond. Sci. Technol. 2003. 18. Р. 560–565.
2. Osamu Eryu, Takayuki Kume, Kenshiro Nakashima, Toshitake Nakata and Morio Inoue. Formation of an ohmic electrode in SiC using a pulsed laser irradiation method. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 1997. 121. Issues 1-4. P. 419-421.
3. Lowndes D.H., Raudorf T.W. Pulsed-laser diffusion of n+ contacts and n+-p junctions in high purity germanium for nuclear radiation detectors. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 1985. 240. Issue 2. P. 362 – 364.
4. Gnatyuk V.A., Aoki T., Hatanaka Y. and Vlasenko O.I. Defect formation in CdTe during laser-induced doping and application to the manufacturing nuclear radiation detectors. Phys. stat. sol. (c). 2006. 3, № 4. Р. 1221–1224.
5. Велещук В.П., Байдуллаева А., Власенко А.И., Гнатюк В.А, Даулетмуратов Б.К., Левицкий С.Н., Ляшенко О.В., Aoki Т. Массоперенос индия в структуре Іn-CdTe при наносекундном лазерном облучении. ФТТ. 2010.52. Вып. 3. С. 439 – 445.
6. Зеленина Н.К., Матвеев О.А. Лазерное внедрение примесей в кристаллы теллурида кадмия. Письма в ЖТФ. 1998. 24, № 11. С.1-6.
7. Robert Triboulet and Paul Siffert. CdTe and related compounds; physics, defects, hetero- and nano-structures, crystal growth, surfaces and applications. 2010. Elsevier Ltd. 417 p.
8. Байдулаєва А., Велещук В.П., Власенко О.І., Гнатюк В.А., Даулєтмуратов Б.К., Левицький С.М., Aoкi Т. Механізми масопереносу індію в CdTe при дії наносекундних лазерних імпульсів. Український фізичний журнал. 2011. 55, № 2. С. 171-177.
9. Сукач Г.А. Лазерно-стимулированное перемещение границы p-n перехода в прямозонных GaAsP-структурах. ФТП. 1997. 31, №6. С.753-756.
10. Veleschuk V.P., Vlasenko A.I., Gatskevich E.I., Gnatyuk V.A., Ivlev G.D., Levytskyi S.N., Тoru Aoki. Doping of Cadmium Telluride by Indium at Nanosecond Laser Irradiation of In/CdTe Structure. Journal of Materials Science and Engineering B. 2012. 2, №4. P. 230-239.
11. Otfried Madelung. Semiconductors: Data Handbook. Springer. 3rd ed. 2004. XIV. 691 p.
12. Гуревич М.Е., Журавлев А.Ф., Лариков Л.Н., Новицкий В.Г., Погорелов А.Е. Исследование направленного переноса атомов в металлах под воздействием излучения ОКГ. Металлофизика. 1981. 3, №3. С. 108-112.
13. Пановко Я.Г.Основы прикладной теории колебаний и удара. Москва, “Либроком”, 2010. 272 с.
14. Герцрикен Д.С., Мазанко В.Ф., Тышкевич В.М., Фальченко В.М. Массоперенос в металлах при низких температурах в условиях внешних воздействий. Киев. РИО ИМФ, 1999. 436 с.
15. Бекренев А.Н., Эпштейн Г.Н. Последеформационные процессы высокоскоростного нагружения. М.: Металлургия, 1992. 159 с.
16. Путилин В.А., Штеренберг А.М., Камашев А.В., Крестелев А.И. Динамика межузельных атомов в лазерно-индуцированной плоской ударной волне. Вестник Самарского. государственного технического университета. Сер. физ.-мат. науки. 2000. Вып. 9. С. 190-191.
17. Могилевский В.М., Чудновский А.Ф. Теплопроводность полупроводников. М.: Наука, 1972. 513 с.
18. Оскотский В.С., Смирнов И.А. Дефекты в кристаллах и теплопроводность. М.: Наука, 1972. 160 с.
19. Байдуллаева А., Власенко А.И., Горковенко Б.Л., Ломовцев А.В., Мозоль П.Е. Изменение структуры дефектов в монокристаллах p-CdTe при прохождении лазерной ударной волны. ФТП. 2000. 34. Вып. 4. С. 443-446.
20. Даулетмуратов Б.К. Стимулированное лазерным излучением дефектообразование в CdTe и твердых растворах MgxCd1-xTe и CdxHg1-xTe: дисс. канд. физ.-мат. наук. Киев, 1998. 143 с.
21. Валяев А.Н., Погребняк А.Д., Лаврентьев В.И., Волков С.Н., Плотников С.В. Влияние градиента давления ударной волны в α-Fe, облученном мощным ионным пучком, на появление максимума микротвердости на больших глубинах. Письма в ЖТФ. 1998. 24, № 3. С. 47-53.
22. Либенсон М.Н., Никитин М.Н. О диффузии атомов пленки в подложку под действием излучения ОКГ. ФиХОМ. 1973. №1. С.9-14.
23. Баранский П.И., Клочков В.П., Потыкевич И.В. Полупроводниковая электроника. Справочник. Киев: Наук. думка, 1975.704 с.
24. Мешков Ю.Я., Герцрикен Д.С., Мазанко В.Ф. К вопросу о механизме массопереноса в металлах в условиях импульсных напружений. Металлофизика и новейшие технологии. 1996. 18, № 4. С. 52-53.
25. Слядников Е.Е. Солитон поля упругой деформации в структурно-неустойчивом кристалле. Физика твердого тела. 2005. 47. Вып. 3.С. 469 -473.
С.M. Левицький, Ц. Цао*, О.В. Стронський
ЛАЗЕРНО-ІНДУКОВАНІ НАНОСЕКУНДНИМИ ІМПУЛЬСАМИ ПРОЦЕСИ МАСОПЕРЕНОСУ ТА ФОРМУВАННЯ ІНВЕРСІЙНИХ І ВАРІЗОННИХ ШАРІВ В ТВЕРДИХ РОЗЧИНАХ НА ОСНОВІ ТЕЛУРИДУ КАДМІЮ
В даній роботі вивчено такі нелінійні одночасно протікаючі фізичні процеси, як термо- та бародифузія, концентраційна дифузія, процес виникнення та поширення ударної хвилі при наносекундному лазерному опроміненні структур (In)/CdTe. Встановлено домінуючий механізм масопереносу. Отримано спектри низькотемпературної фотолюмінесценції CdTe після опромінення його поверхні та структури In/р- CdTe. Встановлено, що після лазерно-індукованого введення індію зростає інтенсивність фотолюмінесценції в короткохвильовій області - в області вільних екситонів. При цьому встановлено, що формується інверсійний шар n- типу. Виявлено, що максимум розподілу індію при 6 нм відповідає мінімуму розподілу кадмію, що вказує на дифузію міжвузлових атомів In по вакансіях Cd. Розраховано середню дрейфову швидкість дифузії атомів In у CdTe, отримане значення швидкості лазерно-індукованого масопереносу Іn в CdTe співмірне зі швидкістю дифузії атомів металів в деяких напівпровідниках при імпульсному лазерному опроміненні.
Ключові слова: CdTe, CdZnTe, лазерне опромінення, масоперенос, легування, наносекундне лазерне опромінення, ударна хвиля, дифузія, In/CdTe.
Інститут фізики напівпровідників ім.В.Є.Лашкарьова НАН України, 41, просп. Науки, 03028 Київ,Україна levytskyi@ua.fm
*Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", Київ, Україна