Основные операции. Лазерный отжиг полупроводников после ионной имплантации

Несмотря на то, что лазерный отжиг уже достаточно хорошо освоен технологически, имеется ещё ряд принципиальных физических вопросов, касающихся экспериментов по ИЛО в наносекундном, пикосекундном и фемтосекундном диапазонах и поведению полупроводников в сильном лазерном поле (с интенсивностью 10⁷–10¹² Вт/см²). Это вопросы о характере и скорости электронной, электрон-фононной и фонон-фононной релаксации при генерации свободных носителей с плотностью до 10²² в см³ за времена (10⁻⁹−10⁻¹⁴) с, о состоянии, в котором находится эта сверхплотная электронно-дырочная плазма. Не выяснен окончательно (особенно в фемтосекундном и пикосекундном диапазонах) механизм плавления кристалла под действием лазера: имеет ли он место благодаря обычному нагреву решётки или благодаря возникновению плазменно-индуцированных мягких фононных мод; происходит ли плавление после того, как полученная решёткой энергия термализуется среди всех фононных мод, или когда она остаётся сосредоточенной в коротковолновом участке зоны Бриллюэна, а фононы в центре зоны остаются холодными. Эти вопросы интенсивно исследуются теоретически и экспериментально. Для окончательного их разрешения первостепенную важность имеет адекватная экспериментальная диагностика.

В соответствии с критерием Линдемана плавление кристалла (Т = Т_m) начинается тогда, когда среднеквадратичное отклонение атома от положения равновесия (<u²>) составляет определенную долю х от квадрата размера элементарной ячейки a² (для большинства веществ 0,2 < х < 0,25).

Остается открытым вопрос, происходит ли фазовый переход твердое тело — жидкость после того, как энергия термализуется среди всех фононных мод j (1 ≤ j ≤ N), или когда всего лишь несколько наиболее сильно «раскачанных» фононных мод имеют столь большие амплитуды q_j, что критерий Линдемана начинает выполняться.

Если в тепловой модели плавление кристалла происходит благодаря интенсивному тепловому движению атомов решетки, то в плазменной модели фазовый переход твердое тело — жидкость вызван «размягчением» поперечных акустических фононов в ковалентных полупроводниках при росте концентрации электронно-дырочной плазмы. Этот эффект обусловлен тем, что при переходе из валентной зоны в зону проводимости электрон переходит из связывающего состояния в антисвязывающее, так что ковалентная связь ослабляется. Эффект размягчения акустических фононов может приводить также к уменьшению температуры обычного плавления.