Надточій В.О., Бєлошапка О.Я. [kafedrafiziki2018@gmail.com]
ДВНЗ Донбаський державний педагогічний університет, Україна
Download in PDF: http://fmo-journal.fizmatsspu.sumy.ua/journals/2020-v1-23/2020_1-23-Nadtochyi-Beloshapka_FMO.pdf

УТВОРЕННЯ ДИСЛОКАЦІЙ У ПРИПОВЕРХНЕВОМУ ШАРІ Ge
ПІД ДІЄЮ ЛАЗЕРНОГО ІМПУЛЬСУ

Формулювання проблеми. Стаття є дослідною. Головна проблема яка висувається в статі, це чи зароджуються дислокації, під дією лазерного опромінення. Спочатку ставили задачу визначити умову імпульсного лазерного опромінення, при якій найбільш ефективно створюються напруження зсуву у приповерхневому шарі кристала, а також задачу розрахунку температурного  поля у зоні опромінення.
Матеріали і методи. Використовували монокристалічний германій з питомим опором 45 Ом·см і щільністю ростових дислокацій 2,5·10³ см^-2. Торець злитка з площиною (111) піддавали шліфуванню, хіміко-динамічному і хімічному поліруванню. Дефектну структуру виявляли у хромовому травнику із суміші CrO₃:HF=1:1. Опромінення поверхні (111) Ge здійснювали на лазерній установці типу УИГ-1М з рубіновим оптичним квантовим генератором, працюючим у режимі вільної генерації на довжині хвилі λ =0,694 мкм. Густина енергії опромінення на поверхні германію змінювалась в межах 2-25Дж/см², тривалість імпульсу була 1мс. Опромінення відбувалося  сфокусованим на поверхні лазерним променем, в окремих експериментах використовували розфокусований промінь. Діаметр D зони лазерного опромінювання становив 3 мм. Дислокаційну структуру вивчали оптичним методом.
Результати. За результатами обчислень були отримані залежності температури вздовж радіуса плями для різних моментів часу від початку дії лазерного опромінювання Проаналізовано фізичний механізм виникнення дислокацій на ділянці з  температурою  ̴ 450 К, де фотонагрівання не є головним фактором дефектоутворення. Структурними дослідженнями встановлено, що найбільш ефективно напруження зсуву у приповерхневому шарі зразка Ge створюються дією розфокусованого променя з енергією опромінення, достатньої для оплавлення кристала лише у центрі лазерної плями. Шляхом розв’язання диференціального рівняння теплопровідності отримані залежності густини оптичної потужності, яка поглинається поверхнею від часу опромінення, а також розподіл температури на поверхні уздовж радіуса лазерної плями.
Висновки. Зроблено висновок, що дислокації в лінійно-періодичних структурах виникають за рахунок гетерогенного зародження і розширення призматичних петель, орієнтованих в періодично-індукованому полі концентрації вакансій.
Ключові слова:  лазерний промінь, дефекти, дислокація, опромінення, структура, вибіркове травлення.

FORMATION OF DISLOCATIONS IN THE SURFACE LAYER (Ge) under the influence of LASER momentum
Viktor Nadtochyi, Oleksandr Beloshapka
Donbas State Pedagogical University, Ukraine

The influence of a free generation ruby laser pulse on the surface (112) of Ge single crystal was investigated. Time dependence of optical power density absorbed by Ge surface as well as temperature distribution on the surface along the laser spot radius was found by solving the heat-conduction equation. The physical mechanism of dislocation generation in the spot area with temperature  ̴450 K, where heating was not the main factor of defect generation, was analyzed. It was concluded that dislocations ranged in linear periodical structures were arising owing to heterogeneous springing and growing of prismatic loops oriented in periodic deformation-induced vacancy concentration field.
Formulation of the problem. In this paper, the problems of defect formation of low-temperature zones on the surface (112) of monocrystalline Ge are considered for the first time.  Theoretical calculations were necessary to find the temperature distribution on the surface along the radius of the laser spot from the onset of radiation, to perform structural studies and to substantiate the physical mechanism of the formation of observed defects.
 Results. The effect of the free-generation ruby laser pulse on the surface (112) of the germanium (Ge) single crystal has been examined. Laser irradiation of a semiconductor surface leads to three important effects of defect formation: heating, deformation of the surface layer and electronic excitation of centers. Firstly, the task was to determine the condition of pulsed laser irradiation, in which the shear stresses in the surface layer of the crystal are most effectively created, as well as the task of calculating the temperature field in the irradiation zone. Monocrystalline germanium with a resistivity of 45 cm and a density of growth dislocations of 2.5·103 cm-2 has been used. The defective structure has been detected in chromium etchant from a mixture of CrO3: HF = 1: 1. The (111) Ge surface has been irradiated with a ruby laser operating in the free-generation mode at a wavelength of λ = 0.694 μm. The radiation energy density at the germanium surface has been varied within 2-25 J / cm2, the pulse duration was 1ms. The irradiation has been performed with a laser beam focused on the surface, and in some experiments, a defocused beam has been used. The diameter of the laser irradiation zone was 3 mm. Structural studies have been shown that the most effective shear stresses in the subsurface layer of the Ge sample are created by the action of a defocused beam with radiation energy sufficient to melt the crystal only in the center of the laser spot. By solving the differential equation of thermal conductivity, the dependences of the optical power density, which is absorbed by the surface during irradiation, have been obtained, as well as the temperature distribution on the surface along the radius of the laser spot. The physical mechanism of occurrence of dislocations on the site with temperature ~ 450 K has been analyzed, where photovoltaics is not the main factor of defect formation. It is proved that dislocations in linear-periodic structures arise due to heterogeneous nucleation and expansion of prismatic loops oriented in a periodically induced.
 Conclusion. 1. Solving the differential thermal conductivity equation, we find the dependencies of the power on the time absorbed by the surface and the temperature distribution on the Ge surface along the radius of the laser spot.  At distances from the center of the spot greater than 0.9 mm, where the maximum temperature did not exceed 300K, structural studies were performed.  2. Optical microscopy reveals periodic dislocation structures in the surface layer.  The model according to which long lines of dislocations are formed from short prismatic loops of interbranch type of heterogeneous origin is proposed.
Keywords: dislocation, prismatic loop, vacancy, thermal capacity.

Список використаних джерел

1. Банишев А.Ф., Володин Б.Л., Емельянов В.И., Мерзляков К.С. Образование периодических структур дислокаций при лазерном воздействии на поверхность полупроводников. Физика твердого тела. 1990. Т. 32, №9. С. 2529-2532.
2. Банишев А.Ф., Новикова Л.В. Образование обратимых и необратимых структурных дефектов на поверхности кремния под действием лазерного импульса. Физ. и хим. обраб. материалов. 1992. №4. С. 55-59.
3. Бреховских В.Ф., Мезох З.И., Оводова А.В. и др. О дислокационной структуре германия, подвергнутого воздействию луча лазера. Физ. и хим. обраб. материалов. 1971. №6. С. 6-10.
4. Двуреченский А.В., Качурин Г.А., Нидаев Е.В., Смирнов Л.С. Импульсный отжиг полупроводниковых материалов. Москва: Наука, 1982. 280 c.
5. Емельянов В.И., Кашкаров П.К. Дефектообразование в приповерхностных слоях полупроводников при импульсном лазерном воздействии. Поверхность: физика, химия, механика. 1990. №2. С. 77-85.
6. Емельянов В.И., Макин В.С., Уварова Н.Ф. Образование упорядоченных вакансионно - деформационных структур на поверхности металла при лазерном облучении. Физ. и хим. обраб. материалов. 1990. №2. С. 12-19.
7. Качурин Г.А., Нидаев Е.В., Данюшкина Н.В. Отжиг дефектов наносекундными лазерными импульсами после внедрения малых доз ионов. Физика и техника полупроводников. 1980. Т. 14, № 4. С. 656-660.
8. Надточий В.А., Алехин В.П. Микропластичность монокристаллов Ge при воздействии лазерного облучения и деформации сжатия. Физ. и хим. обраб. материалов. 2004. №4. С. 27-32.
9. Сеченов Д.А., Гарицын А.Г., Светличный А.М., Соловьев С.И. Моделирование закалки тачечных дефектов в кремнии при импульсном нагреве лазерным излучением. Физ. и хим. обраб. материалов. 1995.  №5. С. 124-129.