0.4. Насыщение межзонного поглощения

Насыщение примесного поглощения – эффект Бурштейна-Мосса - известно с долазерных времен. Появление лазерного излучения позволило наблюдать эффект насыщения в области собственного поглощения.

В тех случаях, когда энергия кванта незначительно превышает ширину запрещенной зоны ( ), энергетические уровни в зоне проводимости и валентной зоне полупроводника, вовлекаемые в процесс генерации свободных носителей, насыщаются, что приводит к просветлению полупроводника.

Такой процесс происходит, например, при облучении кремния ( 1,09 эВ) излучением лазера на стекле с неодимом ( 1,17 эВ).

При этом для непрямых переходов (см. рис. 0.9) в процессе поглощения должен участвовать фонон, поэтому энергия кванта, необходимая для перехода равна , эВ. Чем эта разница меньше, тем меньше число уровней, участвующих в процессе поглощения.

Рис. 0.9. Схема зон кремния.

Коэффициент поглощения можно представить в виде

. (0.27)

- начальный коэффициент поглощения, - предельное значение концентрации неравновесных носителей. можно найти из решения квантовомеханической задачи о заполнении разрешенных уровней.

(0.28)

Выражение (0.28) верно при условии ( - температура Дебая, 3∙10¹⁹ см^-3).

Рассмотрим модельную ситуацию (рис. 0.10): что будет с веществом, у которого происходит насыщение поглощения по закону (0.27).

Рассмотрим, как изменяется концентрация неравновесных носителей) в слое :

(0.29)

Неравновесные носители возникают при поглощении квантов света, а исчезают за счет процессов рекомбинации. Для поглощенного потока фотонов справедлив дифференциальный закон Бугера.

Рис. 0.10. Схема поглощения фотонов в полупроводнике с насыщением.

(0.30)

Введем обозначение для потока фотонов, падающего на поверхность полупроводника ( считаем заданным).

Если рекомбинация в (0.29) несущественна, что бывает при коротких временах воздействия ( ), то вещество просветляется в зоне воздействия луча так, что по веществу распространяется волна просветления. Скорость такой волны

. (0.31)

Так, например, при 10¹⁹ см^-3, 10²³ см^-2с^-1, 10⁴ см/с. При больших скоростях движения волны просветления следует применять более точное выражение:

(0.32)

Скорость может расти до скорости света в полупроводнике.

Если рассматривать задачу в движущейся системе координат, связанной с границей просветления, то, вводя замену переменных , для распределения концентрации носителей и потока фононов получим:

(0.33)

Таким образом, в системе без потерь в веществе идет волна просветления, скорость которой определяется величинами и . Если рекомбинация играет существенную роль, то со временем концентрация свободных носителей стремиться к постоянному значению меньшему . Это приведет к тому, что распределение интенсивности света в веществе будет отличаться от Бугеровского. Поэтому, если в веществе устанавливается равновесное значение концентрации , а поглощение определяется функцией , то закон изменения интенсивности света в веществе будет иметь вид:

(0.34)

Уравнение (0.34) имеет аналитическое решение. Используя (0.27) перепишем (0.34) в виде

Разделяя переменные и интегрируя от до , получим

При выводе последнего уравнения учтено, что , поскольку равновесное распределение концентрации носителей без учета диффузии носителей определяется только световым потоком и временем жизни носителей .

В результате, при , получим распределение интенсивности поглощенного светового потока по глубине

Эффект насыщения может иметь место и в случае многофотонных переходов между уровнями, однако требуемая для этого интенсивность лазерного излучения существенно выше.

В завершении раздела следует отметить, что по характеру восприимчивости лазерного излучения полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и прозрачными материалами. Поэтому, как было обсуждено выше, в результате поглощения лазерного излучения полупроводниками образуются электронно-дырочные пары, которые, рекомбинируя, передают энергию излучения кристаллической решетке. В конечном счете, с ростом мощности лазерного излучения повреждение будет происходить в результате нагрева. Такой процесс повреждения характерен, например, для слабо легированного кремния. В то же время повреждения в сильно легированном кремнии весьма сходны с повреждениями в металлах.

Эксперименты показали, что при воздействии лазерного излучения на германий, кремний, арсенид галлия, антимонид галлия, антимонид индия и селенид кадмия характер повреждений зависит от плотности энергии излучения, характеристик полупроводника (например, электропроводность, кристаллографическая ориентация) и состояния его поверхности. При плотностях энергии 5  20 Дж/см² (рубиновый лазер) возникают незначительные изменения поверхности, при 20  30 Дж/см²  трещины, при 30 Дж/см² и более  глубокие кратеры.

Качество обработки поверхности полупроводника оказывает большое влияние на порог повреждений в материале. Травление полупроводникового кристалла увеличивает порог относительно грубо отшлифованных кристаллов более чем в три раза, а для изготовленных скалыванием или химической шлифовкой  на 10  15%. Поверхностные царапины, как правило, на пороги повреждения оказывают незначительное влияние, хотя повреждения в области царапин более заметны.