Коллектив исследователей из МФТИ и ФИАН разработал подход, который в перспективе позволит без прямого контакта с полупроводником вылечивать в нем некоторые типы дефектов. Ученые продемонстрировали возможность «выгонять» дефект из полупроводниковой структуры с помощью лазерного гиперзвука, а движение дефекта детектировали по тонким изменениям в структуре пространственного свечения кристалла. Исследование поможет в разработке простой и доступной технологии улучшения качества полупроводниковых гетероструктур. Работа опубликована в Journal of Applied Physics.
Современная физика полупроводниковых гетероструктур изучает сложные многослойные объекты с хитрым строением. Например, структуры с множественными квантовыми ямами для изготовления лазеров или фотодетекторов. В таких структурах могут быть дефекты-вредители — дислокации: атомные цепочки или даже целые плоскости атомов, которые стоят не на своем месте. «Нарушители порядка» появляются в процессе производства кристаллов из-за неоднородности подложки, на которой выращивают структуру, случайного загрязнения или недостаточно точного контроля определенных технологических параметров.
Даже на современном уровне развития полупроводниковых технологий невозможно идеально контролировать процесс производства на атомном уровне. Например, в крупноформатной фоточувствительной матрице, в которой по сложной технологии изготавливаются много разных гетероструктурных пикселей, 100% пикселей не получаются «здоровыми». Дефекты-вредители могут приводить к непредсказуемым изменениям свойств материала. Это приводит к появлению неправильно работающих, «больных» пикселей. Соответственно, нужен метод воздействия на данные пиксели чтобы, по возможности, уменьшить их количество.
Ранее уже был обнаружен механизм воздействия на один из распространенных типов линейных дефектов с помощью пучка высокоэнергетичных электронов: в просвечивающем электронном микроскопе можно обнаружить дислокацию, затем с помощью сфокусированного пучка электронов сместить эту дислокацию или изменить ее внутреннюю структуру. При определенных условиях удавалось полностью устранить структурный дефект. Идея ученых из МФТИ и ФИАН состояла в том, чтобы реализовать похожую технику, но в более простой, полностью оптической установке.
В качестве метода воздействия они выбрали сфокусированный лазерный импульс длиной в сотни пикосекунд. Этот импульс поглощается в приповерхностных слоях кристалла и нарушает покой электронно-дырочной системы, основных «жителей» полупроводника. Чтобы успокоиться, система сбрасывает энергию в виде фононов — квантов колебаний кристаллической решетки. При правильном механизме возбуждения, наряду с квазитепловыми фононами, образуется гиперзвуковая деформационная волна, или, по-другому, импульс когерентных фононов гигагерцовых или субтерагерцовых частот. Эта волна, как считают авторы, приводит к скольжению дефекта и теоретически может позволить «выгонять» дислокации из кристалла. Ученые взяли монокристаллическую пленку теллурида кадмия CdTe, содержащую дислокации, и подвергли ее импульсному лазерному излучению при гелиевых температурах.
Затем нужно было проверить, что дефект-вредитель перебрался в другое место. Оптическим микроскопом напрямую дислокацию не увидеть, она слишком мала. Физики подключили к решению задачи косвенный метод — микрофотолюминесценцию при низкой температуре. Электрон-дырочные пары цепляются за дефекты в кристалле и, если температура достаточно низкая, формируют яркие точечные излучатели. А при движении дефекта по кристаллу картина высвечивания изменялась, и таким образом они уловили движение дислокации.
Фото. Гиперзвуковые волны распространяющиеся вдоль среза (111) монокристалла теллурида кадмия. Область начального возбуждения волны — пятно в центре. Источник: ФИАН
«У нас есть инструмент, который запускает волну гиперзвука, которая, в свою очередь, стимулирует движение дислокации, и инструмент, который позволяет увидеть ее движение. На примере распространенного модельного полупроводника мы показали, что можно подобрать параметры инструментов и заставить дефект двигаться, — комментирует Владимир Кривобок, заведующий лабораторией оптики ультрахолодных атомных систем и функциональных материалов МФТИ. — Метод можно обобщить на другие полупроводниковые материалы и пробовать создать технологию».
Как и многие интересные научные результаты, этот был получен побочно, в процессе исследования сложных полупроводниковых гетероструктур. Натолкнуться на идею позволило наличие у ученых двух установок: гиперзвукового микроскопа и установки для измерения микрофотолюминесценции при низких температурах. Гиперзвуковой микроскоп позволяет создать импульс, который выгоняет дислокацию из кристаллической структуры полупроводника, а микрофотолюминесценция помогает проверить, что «терапия» сработала.
Полученные результаты станут основой для разработки полностью оптической технологии локальной лазерной обработки протяженных дефектов в полупроводниках.
Исследование выполнено при поддержке Федеральной программы академического лидерства «Приоритет 2030».
