Особенности воздействия милли- и наносекундного лазерного излучения на полупроводниковые материалы твердотельной электроники

• Автор: Гонов, Султан Жумальдинович
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Нальчик
• Количество страниц: 130 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение

1. Тепловая модель нагрева полупроводников лазерным излучением

1.1. Возможности лазерных методов эпитаксии и отжига полупроводников

1.2. Твердофазная кристаллизация полупроводниковых слоев под действием лазерного излучения.

1.3. Лазерная жидкофазная кристаллизация полупроводников

1.4. Лазерные методы формирования новых структурных модификаций материалов

Заключение к главе 1.

2. Методика эксперимента .

2.1. Методы обработки полупроводников импульсным лазерным излучением.

2.2. Лазерные установки для обработки полупроводниковых материалов .

2.3. Методика исследования динамики процессов нагрева, плавления и кристаллизации полупроводников импульсным лазерным излучением.
2.4. Аппаратура и методика исследования структуры материала и распределения примесных элементов в перекристаллизованных слоях
2.5. Приготовление образцов
Заключение к главе 2.
3. Исследование процессов нагрева полупроводников миллисекундными
импульсами лазерного излучения.
3.1. Динамика нагрева полупроводников импульсами лазерного излучения миллисекундной длительности
3.2. Морфология поверхности полупроводников при воздействии импульсного лазерного излучения.
3.3. Расчет температурных полей и оптимизация процессов лазерной обработки полупроводников
3.4. Диссоциация полупроводниковых соединений под действием импульсного лазерного излучения
Заключение к главе 3.
4. Кристаллизация полупроводников из жидкой фазы в условиях
импульсного лазерного воздействия
4.1. Лазерная жидкофазная эпитаксия полупроводников под действием миллисекундных лазерных импульсов.
4.2. Влияние сил поверхностного натяжения на морфологию поверхности перекристаллизованных слоев
4.3. Неустойчивость фронта кристаллизации при лазерной эпитаксии
полупроводников
4.4. Дислокационная структура полупроводниковых слоев, полученных методом лазерной эпитаксии.
Заключение к главе 4
5. Перераспределение примесей при лазерной обработке полупроводников
5.1. Механизм перераспределения примесей при воздействии на полупроводники миллисекундных лазерных импульсов.
5.2. Особенности сегрегационных явлений при наносекундном лазерном отжиге
5.3. Влияние легирующих примесей на структурообразованис при лазерной эпитаксии полупроводниковых слоев
Заключение к главе 5.
Выводы.
Литература


Зависимость структуры микрорельефа и свойств поверхностного слоя полупроводников от параметров лазерного воздействия и давления остаточного газа. Зависимость концентрационного профиля имплантированной примеси в монокристаллических и ве от параметров импульса лазерного воздействия. Доминирующим физическим механизмом, определяющим характер изменения свойств сильно поглощающих сред при взаимодействии с мощным электромагнитным излучением, является нафев вещества при поглощении энергии излучения. Именно с тепловыми явлениями (нагревом, плавлением и кристаллизацией при охлаждении) связывает большинство авторов процессы импульсного, лазерного отжига [1—6]. Тепловая модель основывается на том факте, что за время порядка ",4^-",3с энергия падающих квантов излучения передается системе свободных и фотовозбужденных носителей тока в поглощающем слое материала. Термали-зация неравновесных носителей происходит вследствие процессов Оже-рекомбинации за время примерно "9 с. Таким образом, за время порядка наносекунды энергия поглощенных фотонов передается кристаллической решетке, что приводит к нагреву полупроводника. Скорость нагрева определяется плотностью мощности лазерного излучения, длительностью воздействия, оптическими константами (коэффициентами отражения и поглощения) и теплофизическими параметрами материала. О=к/(срр)— коэффициент температуропроводности; к, сру р — коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость и плотность соответственно. Величина / показывает, на какое расстояние может в полупроводнике распространиться тепловой фронт за время действия импульса тр. Эффективная глубина проникновения электромагнитного излучения в полупроводник с коэффициентом поглощения а составляет величину а Различают два принципиальных случая [7] (рис. ОТрУ'г - ? Рис. Если считать, что лазерный импульс имеет прямоугольную форму при интенсивности /, то поглощенная энергия составит (1 - Я)1тр9 где /? Охлаждение нафетого слоя после окончания действия импульса происходит за время порядка тр9 так как оно сопровождается отводом тепла из области порядка характеристической длины, поэтому и скорость нагрева и скорость охлаждения имеют величину А. Во втором случае (рис. АТ {гут. Скорость охлаждения в первом случае, как легко видеть, значительно выше, чем во втором. Для большинства полупроводниковых материалов широкого применения и технологических твердотельных лазеров чаще всего реализуется приближение первого случая. При этом могут в зависимости от энергии и длительности лазерных импульсов достигаться скорости нафева и охлаждения поверхностных слоев порядка Ю5-И0 град. Начальная температура кристаллов, окружающая атмосфера, плотность энергии излучения, длина волны и длительность импульсов лазерного излучения определяют глубину проплавленной зоны и скорость движения фронта кристаллизации, которая может изменяться в широких пределах. При скорости охлаждения расплавленного кремния порядка й град . Указанные скорости охлаждения достигаются в случае воздействия пикосекундных лазерных импульсов. При лазерном отжиге полупроводников импульсами длительностью " +1(Г7 с (наносекундный диапазон) с плотностями энергии порядка единиц Дж/см2 скорость охлаждения расплавленного слоя составляет ~ град. По данным электронномикроскопических исследований с разрешением ~ А в перекристаллизо-ванных слоях не обнаружено дислокационных петель, микровключений и дислокаций несоответствия [9, ]. Особенно наглядно улучшение структурных свойств проявляется при воздействии наносекундных лазерных импульсов на аморфизованные при ионной имплантации полупроводниковые слои и аморфные или тонкие поликристаллические пленки, нанесенные различными способами на монокристаллические подложки из того же материала. Переход аморфный слой — монокристалл в этом случае имеет пороговый характер, а величина пороговой плотности энергии при прочих равных условиях определяется толщиной аморфного слоя. Образование совершенных структур происходит в том случае, когда граница раздела фаз при плавлении достигает монокристаллической подложки, что является непременным условием эпитаксиальной перекристаллизации.