» » Диссоциация полупроводниковых соединений при действии луча лазера
24.12.2014

Термохимическое действие луча лазера представляло интерес исследовать на таких соединениях, которые, разлагаясь под действием нагрева световым лучом, дают продукты, резко отличающиеся по своим свойствам. В качестве таких соединений были выбраны полупроводниковые соединения типа AIIIBV, состоящие из металла А третьей группы периодической системы элементов (галлия, индия) и неметалла пятой группы периодической системы В (мышьяк, сурьма, фосфор).
При разложении соединения на элементы компонент А испаряется при высоких температурах, а компонент В является очень летучим. Монокристаллы полупроводниковых соединений, вырезанные вдоль плоскости (111), имеют стороны А и В с различной химической активностью. Представляло интерес также выяснение вопроса о том, есть ли различие в макроскопических проявлениях действия светового луча на стороны А и В материалов с таким видом анизотропии.
Исследование проводилось автором совместно с Б. А. Красюком и Т. С. Степановой методами металлографического и рентгенографического анализа. Различные изменения состава и строения полупроводниковых кристаллов в зоне приварки контактных выводов к кристаллам могут весьма существенно влиять на электрические характеристики получаемых сварных соединений.
Действию луча лазера подвергались кристаллы GaP, GaAs, InP, InAs. Плоскости (111) образцов полировались до зеркального блеска и обрабатывались в полирующем травителе для снятия деформированного слоя. На стороне А выявлялась при этом субструктура соединения.
В качестве источника импульсов света использовался рубиновый лазер сварочной установки типа СУ-1. Выходная энергия в импульсе при снятом объективе составляла 0,7 дж. Длительность импульса составляла 3—4 мсек. Площадь светового пятна на поверхности образца была около 3*10в-4 см2. Таким образом, удельная мощность в зоне действия импульса света на образец была равна приблизительно 4*10в5 вт/см2.
Исследовалось действие на образцы единичных импульсов лазера в воздухе в вакууме 1*10в-4 мм рт. ст. и в атмосфере гелия при давлении около 1 атм.
Во всех случаях в зоне поражения поверхности кристалла импульсом света от лазера наблюдалось образование лунок, поверхности которых имели светло-серый металлический цвет. Рельефы лунок при постоянной энергии луча были различны для разных соединений.
Рельефы лунок для InAs и InP, полученные в атмосфере гелия, отличались от рельефов, полученных в воздухе. Для соединения галлия влияние различных атмосфер на рельеф было незначительным.
При облучении, как в воздухе, так и в гелии около каждой лунки возникали концентрические кольца, составленные из мельчайших кристалликов различной окраски. Чередование цветов было одним и тем же для каждого соединения при постоянной энергии лазера, но цвета колец на образцах различных соединений были разными.
Фотосъемка процесса облучения под микроскопом показала, что после действия луча под лункой поднимался вверх и распространялся в стороны поток частиц, которые имели вид снежных: хлопьев с различной окраской. Иногда на некотором расстоянии от лунок были видны капли металла. При опытах в вакууме (порядка 1*10в-4 мм рт. ст.) концентрически окрашенных колец возле лунок не наблюдалось.
Поверхность кристалла, подвергнутая действию лазерного луча, в зависимости от степени дефокусировки луча представляла-собой лунку или пятно, покрытое слоем галлия или индия в зависимости от состава соединения. Металл А, оказавшийся в лунке, образовывал дендритные кристаллы, сходящиеся к центру.
Изменение микротвердости на образцах фосфида галлия дали величины 750 кГ/мм2 для основного кристалла и 14 кГ/мм2 внутри лунки (типичная величина твердости для металлического галлия).
Отсутствие концентрических колец на образцах и легких частиц в виде хлопьев при опытах в вакууме указывает на то, что их образование происходит после процесса диссоциации, когда под влиянием высокой температуры лазерного луча испаряются летучие компоненты (мышьяк и фосфор). Испаряющиеся мышьяк и фосфор вступают в химические соединения с кислородом и, возможно, с другими газами, содержащимися в воздухе. Продукты этих реакций осаждаются частично на самом образце, образуя различно окрашенные кольца. Некоторое количество жидкого галлия (или индия) в виде отдельных капель выбрасывается в разные стороны горячими газовыми потоками, вырвавшимися из-под жидкого металла А, скопившегося в лунке.
Для сравнения действия луча на поверхности А и В кристаллов было проведено их облучение в одинаковых условиях, а также показано, что размеры и форма пятен на обоих типах кристаллографических плоскостей идентичны. Отметим, что термические напряжения, возникающие при действии луча лазера, могут привести к образованию кольцевых трещин вокруг пятен, что также видно на фотографиях.
Для исследования природы вещества, остающегося в месте действия луча, было проведено рентгеноструктурное исследование поверхностей, покрытых облученными зонами. Соответствующие кривые интенсивности, показывают, что, например, в арсениде индия вещество, оставшееся в кратере, является металлическим индием.
Монокристалл устанавливался таким образом, что до облучения он не давал отражений на рентгенограмме. После облучения возникали линии поликристаллического индия. Измерение ширины линий на рентгенограммах индия показало, что в металле содержится значительное число дефектов кристаллической решетки, связанной с закалкой из жидкого состояния.
Таким образом, физический механизм действия световых импульсов лазера на полупроводниковые соединения сводится к нагреву соединения при поглощении энергии светового луча, термическому разложению его при температурах, значительно превышающих температуру плавления металлического компонента А, образования компонентов А в виде жидкости и В в виде газа и закалке жидкого металла.
В связи с тем что теплопроводность соединения, окружающего металл, невелика, охлаждение металла происходит с меньшей скоростью, чем при действии луча лазера на массивные металлические образцы, что подтверждается дендритным строением застывшего расплава.
Подбор условий облучения и облучение по трафаретам может позволить получать на поверхности полупроводниковых соединений металлические области произвольной формы, кристаллическая решетка которых когерентно связана с решеткой соединения.