Ученые собираются лечить дефекты полупроводников гиперзвуком

Подход, который в перспективе поможет «вылечивать» без прямого контакта некоторые типы дефектов полупроводников, разработала команда исследователей из МФТИ и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН), сообщает 18 января журнал МФТИ «За науку».

Проведенное физиками исследование предложенного ими метода станет основой при разработке простой и доступной технологии повышения качества полупроводниковых гетероструктур.

Ученые показали в эксперименте возможность «выдавливать» протяженный дефект из полупроводниковой структуры с помощью лазерного гиперзвука, а «движение» дефекта определяли на месте по изменениям в структуре пространственного свечения кристалла.

Результаты работы исследователи представили в статье «Индуцированная лазером перестройка протяженных дефектов в кристаллическом CdTe при низкой температуре», опубликованной в Journal of Applied Physics.

Полупроводниковые гетероструктуры для различных современных применений имеют сложное многослойное строение. Так, для изготовления лазеров и фотодетекторов применяются структуры с множественными квантовыми ямами. Однако при создании таких структур могут образовываться ухудшающие их функции дефекты (искажения кристаллической структуры или дислокации) — атомные цепочки или плоскости атомов кристалла, стоящие не на своем месте.

Такие дефекты возникают при производстве кристаллов из-за неоднородности подложки, на которой их выращивают. Это может быть случайное загрязнение или результат недостаточно точного контроля определенных технологических параметров.

Современный уровень полупроводниковых технологий не позволяет идеально контролировать процесс производства на атомном уровне. Например, при изготовлении крупноформатной фоточувствительной матрицы, которая должна содержать множество разных гетероструктурных пикселей, все 100% пикселей получить «здоровыми» не удается.

А «больные» пиксели непредсказуемым образом нарушают работу матрицы, что ставит перед учеными задачу поиска методов «лечения» таких пикселей.

Способ воздействия на один из распространенных типов линейных дефектов с помощью пучка высокоэнергетичных электронов был выявлен ранее. Для излечения дефекта обнаруженную просвечивающим электронным микроскопом дислокацию с помощью сфокусированного пучка электронов смещали или изменяли ее внутреннюю структуру. В некоторых случаях устранить структурный дефект удавалось полностью.

Команда ученых из МФТИ и ФИАН решила разработать похожую технику, но в более простой и полностью оптической установке. Воздействовать на дислокации они решили сфокусированным лазерным импульсом длиной в сотни пикосекунд.

Такой импульс поглощается приповерхностными слоями кристалла, изменяя состояние электронно-дырочной системы полупроводника. Чтобы возвратиться в устойчивое состояние, система выделяет энергию в виде фононов — квантов колебаний кристаллической решетки.

Однако при соответствующем механизме возбуждения одновременно с фононами возникает гиперзвуковая деформационная волна — импульс когерентных фононов гигагерцовых или субтерагерцовых частот, вызывающая, как полагают исследователи, скольжение дефекта. Это теоретически создает возможность «вытеснять» дислокации из кристалла.

Для проведения эксперимента ученые использовали монокристаллическую пленку теллурида кадмия (CdTe) с дислокациями. Они облучили ее лазерными импульсами при гелиевых температурах (до 10 °K). Однако в оптический микроскоп дислокацию не разглядеть. Поэтому, чтобы определить без дополнительных устройств, сдвинулась ли дислокация, исследователи использовали микрофотолюминесценцию.

Электрон-дырочные пары, «цепляясь» за дефекты в кристалле, при достаточно низкой температуре создают яркие точечные излучатели, поэтому движение дефекта по кристаллу можно было отследить по изменению картины излучения.

Заведующий лабораторией оптики ультрахолодных атомных систем и функциональных материалов МФТИ Владимир Кривобок так прокомментировал полученные результаты:

«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. Метод можно обобщить на другие полупроводниковые материалы и пробовать создать технологию».

Интересный факт, что этот результат был побочным в процессе исследования сложных полупроводниковых гетероструктур. Идея эксперимента возникла потому, что ученые располагали двумя установками: гиперзвуковым микроскопом для создания выгоняющего дислокацию импульса и установкой для измерения микрофотолюминесценции, которая доказала, что «лечение» кристалла сработало.

Полученные исследователями результаты лягут в основу разработки полностью оптической технологии локального лазерного удаления протяженных дефектов в полупроводниках.