4.5 Обсуждение полученных результатов

Приведённые в этой главе экспериментальные данные свидетельствуют, что степень повреждения поверхности монокристаллов германия излучением мощного импульсного CO₂- лазера зависит от его интенсивности.

При интенсивности воздействующего излучения Wpi < 4 ? IO⁷Вт/см² пропускание исследовавшихся в работе образцов германия слабо зависело от него, а в облучённой зоне, наблюдались только отдельные очаги повреждений, возникавших на различных дефектах кристаллической структуры и обработки поверхности. При интенсивности излучения, превышающей ~ 4?10⁷Вт/см² приповерхностный слой входной грани оптического элемента повреждался практически на всей площади в зоне воздействия излучения, причём степень поражения возрастала с увеличением плотности мощности лазерного излучения. Пиковая часть лазерного импульса при этом режиме воздействия заметно поглощалась. Как показано в главе 3, основная доля потерь излучения при прохождении пиковой части импульса сверхпороговой интенсивности через германиевый оптический элемент происходила вследствие поглощения горячими неравновесными свободными носителями заряда, генерирующимися в материале под действием поля лазерного излучения.

По осциллограммам (рисунок 4.1) можно оценить, что плотность энергии воздействующего лазерного излучения, поглощённого образцом германия за время

действия пиковой части импульса, составляет ~ 0,5÷l,0 Дж/см². Данные

металлографического исследования морфологии повреждений свидетельствуют, что эта энергия практически полностью выделяется в приповерхностном слое монокристалла толщиной 1÷3 мкм, вызывая его расплавление и, как следует из образования на поверхности структуры типа гексагона, частичную абляцию. Простые оценки (без учёта теплопроводности) показывают, что для мгновенного расплавления слоя германия толщиной 1 мкм необходимо выделение в нём энергии с плотностью ~ 0,5 Дж/см², а для сублимации этого слоя - ~ 3 Дж/см². Помимо этого, некоторый вклад в энергию, поглощённую поверхностным слоем образца, может вносить процесс переизлучения плазменного образования, возникающего в воздухе вблизи поверхности образца [177], но мы, полагаем, что этот вклад сравнительно невелик.

Исходное значение коэффициента поглощения излучения на длине волны 10,6 мкм в германии п - типа β = 0,02÷0,03 см'¹ (см. раздел 2.3). В приповерхностном слое образца величина коэффициента поглощения германия заметно выше и имеет значение ~ 1 см'¹, однако и при такой его величине поверхностный слой может прогреться лишь на несколько десятков градусов. Термическая ионизация в данном случае слишком мала, чтобы внести сколь - либо существенный вклад в величину поглощённой энергии. Таким образом, необходимо выявить механизм лавинообразного роста коэффициента поглощения излучения в приповерхностном слое германия, который ответственен за резкое увеличение масштабов повреждений, наблюдавшихся в нашем эксперименте.

Механизм разрушения прозрачных сред импульсным лазерным излучением, как известно из данных, приведённых в главе 1, во многом сходен с процессом электрического пробоя твёрдых тел.

Время рекомбинации неравновесных носителей заряда в этом случае составляет ~ IO'⁴с [332].

Поверхность монокристалла, как известно, сама по себе является структурным дефектом. Наличие поверхностных уровней, дефектов обработки, взаимодействия оптического элемента с окружающей средой приводит к образованию приповерхностного слоя с особыми физическими свойствами. Этот слой отличается от объёма кристалла повышенной концентрацией свободных носителей и легкоионизуемых уровней в запрещённой зоне с hv ≥0, 117 эВ, то есть ионизующихся при поглощении фотона излучения СО2 - лазера. Соблюдение условия электронейтральности кристалла приводит к тому, что между объёмом и приповерхностным слоем кристалла находится слой объёмного заряда, толщина которого в германии при комнатной температуре составляет 1,4 мкм [98-102, 327, 329, 333]. Следовательно, условия для лавинной ионизации носителей заряда в приповерхностном слое существенно более благоприятны, чем в объёме монокристалла, и поэтому пробой развивается, прежде всего, в этом слое.

В этом случае, область пробоя в приповерхностном слое становится как бы нелинейным ослабителем, экранирующим объём монокристалла от проникновения излучения сверхпороговой интенсивности.

Из этих оценочных рассуждений следует, что слой толщиной - 1 мкм, обладающий подобным поглощением, ослабляет прошедшее излучение в е раз. Кроме того, при столь высокой концентрации свободных носителей заряда уже нельзя пренебрегать их вкладом в величину коэффициента отражения, что также будет сказываться на величине измеряемых потерь. В германии, в области концентраций носителей заряда n_iпорядка IO¹⁹см'³, наблюдается так называемый эффект плазменного резонанса [98], проявляющийся в резком, резонансном изменении величины коэффициента отражения в том числе и в ИК - области от 20% до 90% при сравнительно небольшом увеличении концентрации носителей заряда. Эти данные позволяют нам

предположить, что появление перегиба на измеренной нами зависимости W_p2 = f(W_pi) (рисунок 4.2) может совпадать с минимумом отражения, который, как известно, наблюдается в германии при концентрации носителей заряда ~ 2?10¹⁹см'³[98]. Дальнейший рост нелинейных потерь, во многом вызван резким возрастанием в энергетическом балансе доли отражённого излучения (до R ~ 90 % при концентрации носителей заряда щ ~ 5 ? IO¹⁹см'³).

Выше было показано, что при сверхпороговом режиме воздействия (рисунок 4.3) рост числа воздействующих импульсов сопровождается уменьшением амплитуды прошедшего лазерного импульса. Этот результат может быть объяснён тем, что глубина насыщенного примесями нарушенного приповерхностного слоя, в котором возник оптический пробой, возрастает с увеличением числа воздействующих импульсов (N) за счёт легирования этого слоя поглощающими примесями при химическом взаимодействии расплавленного германия с плазменным образованием.

В процессе оптической обработки германия в приповерхностном слое материала наблюдается адсорбция примесных ионов. Наиболее активно процесс адсорбции происходит на таких структурных дефектах, как царапины, микротрещины и включения зёрен абразива [102, 333], которые, благодаря этому явлению, становятся центрами локального поглощения лазерного излучения. Большая часть примесных атомов в монокристаллах германия при комнатной температуре обычно ионизована. Вследствие этого, а также резкого роста локальной напряжённости поля вблизи структурных дефектов [327], порог пробоя на них должен заметно снижаться.

В бездислокационных кристаллах примеси склонны к коагуляции, что приводит к возникновению в кристалле так называемых кластеров [334] и других примесных образований, размеры которых могут достигать 20 мкм. Подобные структурные дефекты были исследованы в работе [335] с помощью микроанализатора MS-46. Микроанализ показал, что в состав примесных образований входят элементы: С, О, Na, Al, S, Cl, К, Ca. Соединения этих элементов, как правило, имеют довольно высокий коэффициент поглощения излучения с длиной волны 10,6 мкм. Поэтому примесные центры такого состава вполне могут быть очагами микропробоя, что и подтверждается результатами наших экспериментов.

Из опыта эксплуатации полупроводниковых приборов известно, что наличие примесных скоплений в монокристалле приводит к заметному ухудшению их рабочих

характеристик вследствие так называемого «микроплазменного пробоя» электрического пробоя на микродефектах [99, 102 ,327]. Сходные повреждения наблюдались нами в образцах бездислокационных монокристаллов германия, поражённых лазерным излучением. Плотность подобных очагов составила -IO³см'², что по порядку величины соответствует концентрации примесных образований типа кластеров, выявленных до эксперимента по воздействию лазерного излучения в наших образцах путём травления. Подобные повреждения в монокристаллах кремния и арсенида галлия после воздействия излучением импульсного CO₂- лазера, сфокусированного в объём образца, зарегистрированы в работе [155].

Таким образом, результаты, изложенные в настоящей главе, позволяют считать, что повреждения монокристаллов германия, поражённых излучением импульсного CO₂- лазера с пиковой плотностью мощности, превышающей 4?10⁷Вт/см², происходят вследствие лавинного пробоя в электрическом поле световой волны, происходящего в тонком приповерхностном слое вблизи входной грани оптического элемента. В этом случае область пробоя становится как бы нелинейным ослабителем, предохраняющим объём детали от воздействия излучением сверхпороговой интенсивности. Возникновение повреждений при Wpi < 4 ? IO⁷Вт/см² может быть объяснено микропробоями на структурных дефектах, имеющих порог оптического пробоя ниже, чем у матрицы.