Основные операции. Лазерный отжиг полупроводников после ионной имплантации

Для типичных параметров наносекундного режима воздействия АИГ-неодимового лазера (Q = 1 Дж/см²; τ_i = 20 нс; α = 10⁴ см⁻¹; A = 0,5; hν = 1,17 эВ) скорость генерации пар составляет 10³⁰ ÷ 10³¹ см⁻³ · с ⁻¹. Таким образом, за времена, значительно короче длительности импульса лазерного излучения, концентрация носителей достигает величины n ∼ 10¹⁹ см⁻³ и выше. Далее энергия горячих носителей может рассеиваться по четырём различным каналам: 1) электрон-электронное взаимодействие, 2) генерация плазмонов, 3) эмиссия фононов, 4) генерация новых электронно-дырочных пар путём ударной ионизации (обратная оже-рекомбинация). Скорости всех этих процессов велики, однако только один процесс — эмиссия фононов связан с передачей энергии решётке и характеризуется относительно большим временем релаксации τ_ep ≈ 10⁻¹¹ с. Это обстоятельство явилось основанием для выдвижения концепций плазменного отжига. Действительно, всё будет определяться тем, насколько эффективно передаётся энергия из электронной подсистемы в решётку. Передача энергии может происходить путём электрон-фононного взаимодействия и через безызлучательную рекомбинацию электронно-дырочных пар. Не вдаваясь в подробности обсуждения нетермических механизмов лазерного отжига, отметим, что подавляющее число исследований и исследователей говорят о доминирующей роли тепловых эффектов. Это даёт основание подробнее остановиться именно на тепловой модели. В рамках этой модели предполагается, что основным механизмом безызлучательной рекомбинации является оже-рекомбинация электронно-дырочных пар с характерными временами τ_Auge ≲ 10⁻⁹ с. Это означает, что энергия поглощённого кванта передаётся решётке непосредственно в той области, где он поглотился. С другой стороны, поскольку характерный коэффициент поглощения составляет величину ∼10⁴ см ⁻¹, вся поглощённая энергия выделяется в слое толщиной около 1 мкм. Слой, поглотивший излучение, с очень большой скоростью (∼10¹⁰ K/с) разогревается, а при достаточной плотности энергии падающего излучения и плавится. После окончания подвода энергии тепло за счёт теплопроводности отводится в более глубокие слои облучаемого материала в результате чего происходит резкое, со скоростями (∼ 10⁸ ÷ 10⁹ K/с) охлаждение слоя.

Саму процедуру лазерного отжига можно проводить путём как твердофазной, так и жидкофазной эпитаксиальной кристаллизации от ненарушенной подложки. В первом случае в результате лазерного нагрева температура приповерхностного слоя, поглотившего излучение, не превышает температуру плавления, во втором — превосходит её. Первый режим, как правило, реализуется при использовании «длинных» (более 1 мкс) импульсов лазерного излучения, второй — при использовании наносекундных и пикосекундных импульсов. Анализ многочисленных экспериментальных результатов показывает, что наиболее интересные из них как с физической, так и с практической точек зрения получены в режиме воздействия наносекундных и пикосекундных импульсов излучения.