Модификация поверхности германия при воздействии излучения наносекундного ультрафиолетового лазера

Методами оптической профилометрии, сканирующей электронной и зондовой микроскопии исследована модификация полированной поверхности {111} монокристаллического германия (n-тип проводимости, удельное сопротивление 47 Ом · см) в результате воздействия сфокусированным частотно-импульсным излучением наносекундного ультрафиолетового Nd : YaG лазера. Выявлено, что порог плазмообразования с образованием кратера на поверхности возникает при плотности энергии лазерного излучения Е ~ 1,2÷1,3 Дж/см². При неподвижном положении образца при Е ~ 0,1 Дж/см² возникали необратимые повреждения поверхности. При сканировании поверхности излучением при Е ~ 0,50÷1,15 Дж/см², в отсутствии заметных следов кратерообразования, наблюдалось образование ямок травления с правильной трехгранной формой, концентрация которых  составляла (3—5) ⋅ 10⁵ см^-2. Фигуры напоминают дислокационные ямки травления, получаемые селективным химическим травлением.
Выявление дислокаций происходило путем абляции в результате воздействия лазерного излучения. Центрами зарождения абляции являются дислокации, выходящие на поверхность кристалла. Поперечный размер ямок травления  составил ~5—10 мкм, и их перекрытие привело к чередующейся картине трехгранных пирамид, образованных плоскостями {111}. Наблюдали скругленные грани и вершины пирамид, высота профиля фигур составила ∼1—2 мкм. Линейные размеры ямок свидетельствуют о быстром протекании процесса. Исходя из суммарного времени воздействия излучения на поверхность ∼200 нc установлена скорость формирования плоских граней в ямках, которая составляет ∼0,1—0,3 м/с, что на несколько порядков превышает скорость формирования таких же граней при росте кристалла. Глубина поверхностного слоя, в котором происходило формирование структуры, составляла ∼15 мкм.

1. Claeys L., Simoen E. Germanium-based technologies: from materials to devices. Berlin: Elsevier, 2007. 480 p. DOI: 10.1016/S1369-7021(07)70279-1

2. Bosi M., Atolini G. Germanium: Epitaxy and its application // Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials. 2010, V. 56, N 3–4. P. 146—174. DOI: 10.1016/j.pcrysgrow.2010.09.002

3. Каплунов И. А., Рогалин В. Е. Оптические свойства и области применения германия в фотонике // Фотоника. 2019. Т. 13, № 1. С. 88—106. DOI: 10.22184/FRos.2019.13.1.88.106

4. Левинзон Д. И., Ровинский Р. Е., Рогалин В. Е., Рыкун Е. П., Ценина И. С., Шейхет Э. Г., Трайнин А. Л. Исследование монокристаллов профильного германия, облученных импульсным СО2-лазером // Изв. АН СССР. Сер. физическая.1979. Т. 43, № 9. С. 2001—2005.

5. Алексеев Е. Е., Казанцев С. Ю., Кононов И. Г., Рогалин В. Е., Фирсов К. Н. Двухфотонное поглощение излучения нецепного HF-лазера в монокристаллах германия // Оптика и спектроскопия. 2018. Т. 124, № 6. С. 790—794. DOI: 10.21883/OS.2018.06.46082.180

6. Левинзон Д. И., Ровинский Р. Е., Рогалин В. Е., Рыкун Е. П., Ценина И. С., Шершель В. А. Поглощение ИК-излучения в германии // Материалы ІХ Совещания по получению профилированных кристаллов и изделий способом Степанова и их применение в народном хозяйстве. Л.: ФТИ им. Иоффе, 1982. С. 123—126.

7. Armand Pilon F. T., Lyasota A., Niquet Y.-M., Reboud V., Calvo V., Pauc N., Widiez J., Bonzon C., Hartmann J. M., Chelnokov A., Faist J., Sigg H. Lasing in strained germanium microbridges // Nature Communications. 2019. V. 10, N 1. P. 2724. DOI: 10.1038/s41467-019-10655-6

8. Смирнов Ю. М., Каплунов И. А. Монокристаллы германия для инфракрасной техники // Материаловедение. 2004. Т. 5. С. 48—52.

9. Коротаев В. В., Мельников Г. С., Михеев С. В., Самков В. М., Солдатов Ю. И. Основы тепловидения. СПб.: ИТМО, 2012. 122 c.

10. Mashanovich G. Z., Mitchell C. J., Penades J. S., Ali Z., Khokhar A. Z., Littlejohns C. G., Cao W., Zhibo Qu Z., Stanković S., Gardes F. Y., Masaud T. B., Chong H. M., Mittal V., Murugan G. S., James S. Wilkinson J. S., Peacock A. C., Nedeljkovic M. Germanium mid-infrared photonic devices // J. Lightwave Technol. 2017. V. 35, Iss. 4. P. 624—630. DOI: 10.1109/JLT.2016.2632301

11. Shimanskii A. F., Gorodishcheva A. N., Kopytkova S. A., Kulakovskaya T. V. Thermal stability of the properties of germanium crystals for IR optics // J. Physics: Conference Series. 2019. V. 1353, Iss. 1. P. 12062. DOI: 10.1088/1742-6596/1353/1/012062

12. Depuydt B., Theuwis A., Romandic I. Germanium: From the first application of Czochralski crystal growth to large diameter dislocation-free wafers // Mater. Sci. Semicond. Proc. 2006. V. 9, N 4. P. 437—443. DOI: 10.1016/j.mssp.2006.08.002

13. Ordu M., Guo J., Pack G. Ng, Shah P., Ramachandran S., Hong M. K., Ziegler L. D., Basu S. N., Erramilli S. Nonlinear optics in germanium mid-infrared fiber material: Detuning oscillations in femtosecond mid-infrared spectroscopy // AIP Advances. 2017. V. 7, N 9. P. 095125. DOI: 10.1063/1.5003027

14. Peacock A. C., Healy N. Semiconductor optical fibres for infrared applications // Semiconductor Science and Technology. 2016. V. 31, N 10. P. 103004. DOI: 0.1088/0268-1242/31/10/103004

15. Heinig K.-H. Effect of local melting on semiconductor surfaces / In: Energy Pulse Modification of Semiconductors and Related Materials. Dresden: Zentralinstitut für Kernforshung, 1985. P. 265—279.

16. Harzic R. Le, Dörr D., Sauer D., Neumeier M., Epple M., Zimmermann H., Stracke F. Formation of periodic nanoripples on silicon and germanium induced by femtosecond laser pulses physics // Physics Procedia. 2011. V. 12. P. 29—36. DOI: 10.1016/j.phpro.2011.03.102

17. Qi D., Li X., Wang P., Chen S., Huang W., Li C., Huang K., Lai H. Evolution of laser-induced specific nanostructures on SiGe compounds via laser irradiation intensity tuning // IEEE Photonics Journal. 2014. V. 6, N 1. P. 2200005(1—5). DOI: 10.1109/JPHOT.2013.2294631

18. Vadavalli S., Valligatla S., Neelamraju B., Dar M. H., Chiasera A., Ferrari M., Desai1 N. R. Optical properties of germanium nanoparticles synthesized by pulsed laser ablation in acetone // Front. Phys. 2014. V. 2. P. 57. DOI: 10.3389/fphy.2014.00057

19. Iqbal M. H., Bashir S., Rafique M. S., Dawood A., Akram M., Mahmood K., Hayat A., Ahmad R., Hussain T., Mahmood A. Pulsed laser ablation of germanium under vacuum and hydrogen environments at various fluences // Appl. Surf. Sci. 2015. V. 344. P. 146—158. DOI: 10.1016/j.apsusc.2015.03.117

20. Банишев А. Ф., Балыкина Е. А. Разрушение поверхности кремния и меди при импульсном и импульсно-периодическом воздействии Nd:YAG-лазера // Квантовая электроника. 1997. Т. 24, № 6. С. 557—559.

21. Вейко В. П., Дорофеев И. А., Калугина Т. И., Либенсон М. Н., Шандыбина Г. Д. Образование периодических структур на поверхности кремния под действием импульса неодимового лазера миллисекундной длительности // Письма в ЖТФ. 1984. Т. 10, № 1. С. 15—20.

22. Хайдуков Е. В., Храмова О. Д., Рочева В. В., Зуев Д. А., Новодворский О. А., Лотин А. А., Паршина Л. С., Поройков А. Ю., Тимофеев М. А., Унтила Г. Г. Лазерное текстурирование кремния для создания солнечных элементов // Известия вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54, № 2. С. 26—32.

23. Воронов В. В., Долгаев С. И., Лаврищев С. В., Лялин А. А., Смакин А. В., Шафеев Г. А. Формирование конических микроструктур при импульсном лазерном испарении твердых тел // Квантовая электроника. 2000. T. 30, № 8. C. 710—714.

24. Бублик В. Т., Дубровина А. Н. Методы исследования структуры полупроводников и металлов. М.: Металлургия, 1978. 272 с.

25. Manoj Kumar, Mavi H. S., Rath S., Shukla A. K., Vankar V. D. Fabrication of nanopatterned germanium surface by laser-induced etching: AFM, Raman and PL studies // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 2008. V. 40, N 9. P. 2904—2910. DOI: 10.1016/j.physe.2008.02.007

26. Makin V. S., Pestov Yu. I., Privalov V. E. Thermal waveguide and fine scale periodic relief on the semiconductor’s surface induced by TEA CO2 laser radiation // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics). 2012. V. 21, N 1. P. 52—61. DOI: 10.3103/S1060992X12010079

27. Конов В. И., Прохоров А. М., Сычугов В. А., Тищенко А. И., Токарев И. Н. Пространственно-временная эволюция периодических структур, индуцированных на поверхность облученных лазером твердых образцов // ЖТФ. 1983. Т. 53, Вып. 12. С. 2238—2286.

28. Ашиккалиева К. Х. Лазерно-стимулируемые периодические структуры на поверхности монокристаллического кремния // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2013. Т. 10. № 1. С. 21—24.

29. Ашиккалиева К. Х., Каныгина О. Н., Васильченко А. С. Модификации поверхности монокристаллического кремния при изотермическом и лазерном отжигах // Вестник Оренбургского государственного университета. 2012. № 9 (145). С. 96—100.

30. Ашиккалиева К. Х., Каныгина О. Н Формирование периодических структур на поверхности монокристаллического кремния при импульсном лазерном воздействии // Деформация и разрушение материалов. 2012. № 5. С. 12—15.

31. Поляков Д. С., Сальников Н. М., Вейко В. П., Шимко А. А., Михайлова А. А. Формирование антиотражающего микрорельефа на поверхности кремния при облучении наносекундным иттербиевым лазером // Известия вузов. Приборостроение. 2017. Т. 60, № 11. С. 1070—1076. DOI: 10.17586/0021-3454-2017-60-11-1070-1076

32. Железный С. В. Модификация фотоэлектрических свойств полупроводниковых материалов мпульсным световым воздействием // Охрана, безопасность, связь. 2018. Т. 3, № 3. С. 18—26.

33. Железный С. В., Логинов В. А., Москалева Е. А. Анализ изменения морфологии поверхности полупроводниковых радиоматериалов при импульсном световом воздействии // Вестник Воронежского института МВД России. 2016. № 4. С. 210—218.

34. Пат. 2501057 (РФ). Способ обработки поверхности монокристаллического кремния ориентации (111) / К. Х. Ашиккалиева, О. Н. Каныгина, 2012.

35. Малинский Т. В., Миколуцкий С. И., Рогалин В. Е., Хомич Ю. В., Ямщиков В. А., Каплунов И. А., Иванова А. И. Пластическая деформация меди в результате воздействия мощного ультрафиолетового наносекундного лазерного импульса // Письма в ЖТФ. 2020. Т. 46, Вып. 16. С. 51—54. DOI: 10.21883/PJTF.2020.16.49856.18157

36. Ursu I., Mihailescu I. N., Popa Al., Prohorov A. M., Ageev V. P., Gorbunov A. A., Konov V. I. Studies of the change of a metallic surface microrelief as a result of multiple-pulse action of powerful UV laser pulses // J. Appl. Phys. 1985. V. 58, Iss. 10. P. 3909—3913. DOI: 10.1063/1.335611

37. Li Y., Musaev O. R., Wrobel J. M., Kruger M. B. Laser ablation in liquids of germanium in externally applied electric fields // J. Laser Appl. 2016. V. 28, N 2. P. 22004. DOI: 10.2351/1.4940793

38. Ивлев Г. Д., Малевич В. Л. Нагрев и плавление монокристаллического германия при наносекундном лазерном воздействии // Квантовая электроника. 1988. Т. 18, № 12. С. 2584—2586.

39. ТУ 48-4-330–75. Германий монокристаллический для оптоэлектроники. Технические условия.

40. Окатов М. А. Справочник технолога-оптика. СПб.: Политехника, 2004. 679 с.

41. Mikolutskiy S. I., Khasaya R. R., Khomich Yu. V., Yamshchikov V. A. Formation of various types of nanostructures on germanium surface by nanosecond laser pulses // J. Physics: Conference Series. 2018. P. 012007. DOI: 10.1088/1742-6596/987/1/012007

42. Железнов Ю. А., Малинский Т. В., Миколуцкий С. И., Токарев В. Н., Хасая Р. Р., Хомич Ю. В., Ямщиков В. А. Экспериментальная установка для прямого лазерного микро- и наноструктурирования поверхности твердых тел // Успехи прикладной физики. 2014. Т. 2, № 3. С. 311—316.

43. Ганин Д. В., Миколуцкий С. И., Токарев В. Н., Хомич В. Ю., Шмаков В. А., Ямщиков В. А. Образование микронных и субмикронных структур на поверхности диоксида циркония при наносекундном лазерном воздействии // Квантовая электроника. 2014. Т. 44, № 4. С. 317—321.

44. Анисимов С. И., Имас Я. А., Романов Г. С., Ходыко Ю. В. Действие излучения большой мощности на металлы. М.: Наука, 1970. 272 с.

45. Nunley T. N., Fernando N. S., Samarasingha N., Moya J. M., Nelson C. M., Medina A. A., Zollner S. Optical constants of germanium and thermally grown germanium dioxide from 0.5 to 6.6 eV via a multi-sample ellipsometry investigation // J. Vacuum Science and Technology. 2016. V. 34, N 6. P. 061205. DOI: 10.1116/1.4963075

46. Aspnes D. E., Studna A. A. Dielectric functions and optical parameters of Si, Ge, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, and InSb from 1.5 to 6.0 eV // Phys. Rev. B.: Condenced Matter. 1983. V. 27, N 2. P. 985—1009. DOI: 10.1103/PhysRevB.27.985

47. Jellison G. E. Optical functions of GaAs, GaP, and Ge determined by two-channel polarization modulation ellipsometry // Optical Materials. 1992. V. 1, N 3. P. 151—160. DOI: 10.1016/0925-3467(92)90022-F

48. Либенсон М. Н., Яковлев Е. Б., Шандыбина Г. Д. Взаимодействие лазерного излучения с веществом (силовая оптика). Ч. I. Поглощение лазерного излучения в веществе. СПб.: СПб ГУ ИТМО, 2008. 141 с.

49. Бломберген Н. Электрический пробой в твердых телах под действием лазерного излучения // Квантовая электроника. 1974. Т. 1, № 4. С. 786—805.

50. Каплунов И. А., Колесников А. И., Иванова А. И., Подкопаев О. И., Третьяков С. А., Гречишкин Р. М. Микроморфология поверхности монокристаллических слитков германия, выращенных из расплава // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2015. № 5. С. 89—94. DOI: 10.7868/S0207352815060128

51. Каплунов И. А., Шелопаев А. В., Колесников А. И. Структурные дефекты в монокристаллах германия // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2010. № 12. С. 22—25.