На правах рукописи

Гонов Султан Жумальдинович

ОСОБЕННОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ МИЛЛИ- И НАНОСЕКУНДНОГО

ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ

МАТЕРИАЛЫ ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

05.27.01 — Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты,

микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нальчик — 2007

Работа выполнена в Кабардино-Балкарском государственном университете им. Х. М. Бербекова на кафедре физических основ микро- и наноэлектроники

Научный руководитель доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РАЕН Кузнецов Геннадий Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Мустафаев Гасан Абакарович кандидат физ.-мат. наук, доцент Осипов Юрий Васильевич

Ведущая организация Новгородский филиал Федерального Государственного унитарного предприятия «Научно-исследовательский институт прецизионного приборостроения»

Защита состоится 26 мая 2007 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д.212.076.08 при Кабардино-Балкарском государственном университете им. Х. М. Бербекова по адресу: 360004, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173, КБГУ, зал заседаний диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КабардиноБалкарского государственного университета им. Х. М. Бербекова.

Автореферат разослан «24» апреля 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Кармоков А. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Лазерная техника в настоящее время получила признание как одно из наивысших научно-практических достижений человечества. Лазеры имеют множество областей применения, среди которых особое место принадлежит лазерным технологиям в твердотельной электронике. Технологические процессы, связанные с лазерным воздействием, протекают в экстремальных условиях: чрезвычайно высокие температуры, громадные плотности мощности, сверхмалые области протекания процессов. В лазерных микротехнологиях все эти факторы сочетаются одновременно.

Применение лазерного излучения в технологических процессах изготовления твердотельных электронных приборов позволяет решить такие важные в практическом плане задачи, как формирование приповерхностных полупроводниковых слоев соответствующего качества, получение новых структурных модификаций кристаллов, изготовление приборных структур и другие.

При формировании лазерными технологиями изделий микро- и наноэлектроники возникает ряд структурных дефектов на поверхности кристаллов, таких как аморфизация приповерхностных слоев, дислокационные скопления, микротрещины, ячеистая структура, лунки отдельных проплавов, испарение легирующей примеси и другие, что отрицательно, в основном, влияет на параметры этих изделий.

Образование структурных несовершенств при импульсном лазерном воздействии на полупроводники зависит от параметров излучения, управляя которыми можно получить качественные полупроводниковые слои.

Исходя из этого, изучение закономерностей структурных изменений в поверхностном слое полупроводниковых материалов при воздействии милли- и наносекундного импульсного лазерного излучения является актуальной задачей для твердотельной электроники.

Цель настоящей работы состоит в исследовании и получении новых данных по структурообразованию в поверхностных слоях материалов твердотельной электроники Si, Ge, InSb, CdTe, CdSb, HgTe под воздействием импульсного излучения неодимого и рубинного лазеров милли- и наносекундной длительности.

Достижение поставленной цели потребовало постановки и решения следующих задач:

– создание аппаратуры и методик исследования динамики процессов, сопровождающих импульсное лазерное воздействие;

– исследование динамики процессов нагрева полупроводников импульсами лазерного излучения;

– выявление особенностей кристаллизации и морфологии поверхности полупроводниковых материалов в условиях импульсного лазерного воздействия;

– установление закономерностей перераспределения легирующих примесей в поверхностном слое полупроводников при лазерной обработке.

Достоверность полученных результатов подтверждается соответствием результатов экспериментов аналитическим расчетам, использованием дублирующих методик для определения и измерения структурных и электрофизических параметров поверхностных слоев и гетероструктур.

Научная новизна диссертационной работы определяется методами и подходами решения проблемы, а также следующими результатами, которые получены впервые:

– морфология поверхности Si и Ge определяется плотностью энергии импульсного лазерного излучения. Однородно перекристаллизованные слои формируются только при превышении критической плотности энергии импульса;

– уменьшение микронапряжений в полупроводниковом соединении CdTe за счет применения двух лазеров с различными спектральными, энергетическими и временными характеристиками;

– закономерности процесса диссоциации полупроводникового соединения HgTe при плотностях энергии лазерного излучения от 2 до 80 Дж/см2;

– зависимость образования ячеистой структуры и ее геометрии от давления остаточного газа в рабочей камере и параметров лазерного облучения.

При давлении ниже 104 Па ячеистая структура не образуется;

– зависимость распределения концентрации легирующей примеси (Ga, Sn, Bi) в поверхностном слое Si и Ge от параметров лазерного воздействия.

При миллисекундном импульсе разделение примеси подчиняется закономерностям, характерным для равновесных условий, а при наносекундном — определяется возникновением неравновесных эффектов;

– формирование на поверхности Si и Ge эпитаксиальных слоев с концентрацией электрически активной примеси, превышающей равновесную, при лазерном облучении милли- и наносекундными импульсами.

Практическая значимость.

Разработанные аппаратура и методики импульсного лазерного воздействия на монокристаллические полупроводниковые материалы в милли- и наносекундном диапазонах позволяют получать поверхностные слои с заданными свойствами и структурным совершенством.

Предложенные режимы лазерного воздействия на Si и Ge могут быть использованы для получения эпитаксиальных слоев толщиной 1030 мкм кристаллизацией жидкой фазы, а также структур с заданными концентрационными профилями распределения имплантированной примеси (Ga, Ag, Bi, Sn) применительно к технологии дискретных полупровониковых приборов.

Результаты данной работы внедрены в производство полупроводниковых приборов в ОАО СКБ «Элькор». Созданные установки, а также атлас микроструктур и морфологии поверхности полупроводниковых материалов, формирующихся после импульсного лазерного воздействия используются в учебном процессе на кафедрах Физических основ микро- и наноэлектроники Кабардино-Балкарского госуниверситета и Технологии материалов и сплавов Московского института стали и сплавов при проведении учебных занятий, а также при выполнении выпускных квалификационных работ и магистерских диссертаций студентами.

Положения, выносимые на защиту.

1. Аппаратура и методики формирования монокристаллического поверхностного слоя материалов твердотельной электроники Si, Ge, InSb, CdSb, CdTe, HgTe путем милли- и наносекундного лазерного воздействия на поверхность.

2. Зависимость дислокационной структуры монокристаллического слоя полупроводника от пространственно-временного распределения энергии лазерного излучения.

3. Зависимость структуры микрорельефа и свойств поверхностного слоя полупроводников от параметров лазерного воздействия и давления остаточного газа.

4. Зависимость концентрационного профиля имплантированной примеси в монокристаллических Si и Ge от параметров импульса лазерного воздействия.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на ежегодных итоговых конференциях и семинарах по физике межфазных явлений, физике поверхности и проблемам микроэлектроники (Нальчик, КБГУ, 1998—2006); 2-й Всесоюзной научно-технической конференции «Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации» (Ленинград, 1984); VI-й Всесоюзной конференции по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (Паланга, 1984); Всесоюзном координационном совещании «Материаловедение полупроводниковых соединений группы АIIВV» (Каменец-Подольский, 1984);

III-ей и VI-й Международных научных конференциях «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 2003, 2006) Международной конференции «Электромеханика, электротехнология и электроматериаловедение» (Алушта, 2003); II-м Международном семинаре «Теплофизические свойства веществ» (Нальчик, 2006).

Личный вклад автора. Диссертантом созданы установки и методики импульсного лазерного воздействия на полупроводниковые материалы в милли- и наносекундном диапазонах. Автором проведены все эксперименты по воздействию лазерного излучения на исследованные материалы, обработаны результаты измерений и сделана их интерпретация. В опубликованных в соавторстве статьях авторам принадлежат приблизительно равные доли.

Выводы по настоящей работе принадлежат автору.

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации представлены в 16 опубликованных работах, из которых 14 в центральной печати (в том числе 1 авторское свидетельство на изобретение, 3 научные статьи в академических журналах, из них 1 работа в журнале, рекомендованном ВАК для данной специальности) и 9 работ в трудах всесоюзных и международных научных конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и библиографического списка, включающего 110 наименований.

Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 52 рисунка, 7 таблиц.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и поставлены задачи, решаемые в диссертации. Приведены научная новизна, практическая значимость работы и положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан обзор известных данных по особенностям нагрева полупроводниковых материалов лазерным излучением. Анализируются особенности нагрева материалов с учетом их теплопроводности, удельной теплоемкости и плотности. Рассмотрены диффузионное и адиабатическое приближения тепловой модели взаимодействия лазерного излучения с полупроводниковыми материалами. Отмечается, что в зависимости от энергии и длительности лазерных импульсов скорость нагрева и охлаждения поверхностных слоев составляет 1081014 град./с, что необходимо учитывать при обосновании режимов модифицирования их параметров. Рассмотрены возможности лазерных методов получения эпитаксиальных слоев и отжига полупроводниковых гетерокомпозиций. Обсуждаются существующие проблемы твердофазной кристаллизации полупроводниковых слоев под действием лазерного излучения.

Делается заключение, что при лазерном отжиге полупроводников импульсами длительностью 109107 с (наносекундный диапазон) с энергией на уровне 15 Дж/см2 скорость охлаждения слоя составляет 1010 град./с и оказывается достаточной для твердофазного отжига слоя на монокристаллической подложке и устранения ряда структурных дефектов.

Анализируются результаты работ по лазерным методам формирования новых структурных модификаций материалов.

Завершается глава постановкой конкретных задач, решаемых в работе, и обоснованием выбора параметров лазерного излучения (рубин с длиной волны излучения 0,694 мкм и неодим с длиной волны 1,06 мкм) при длительности импульса от 109107 до 104102 с; при энергии в импульсе до 150 Дж; пиковая мощность до 100 МВт.

Вторая глава посвящена разработанным и используемым методикам и технике эксперимента по лазерному воздействию на полупроводниковые материалы. Описаны конструкции лазерных установок, разработанных с учетом специфики проводимых экспериментов. Рассмотрены методы управления параметрами лазерного излучения и способы лазерной лучевой обработки материалов; приведено описание аппаратуры и методики исследования динамики нагрева полупроводников лазерным излучением; дана методика исследования структуры кристаллов и определения профилей распределения примесей в облученных материалах.

Описаны созданные установки с лазерами (рубин, длина волны 0,694 мкм; неодим, длина волны 1,06 мкм; гелий — неон, длина волны 0,488 мкм). Эти устройства позволяли выбирать оптимальные режимы излучения лазеров: энергии 3100 Дж/см2; длительности порядка 103 с, что обеспечивает формирование жидкой фазы на поверхности полупроводниковой пластины и позволяет оперативно изменять режим генерации, энергетические и временные параметры излучения. Длительность импульса в экспериментах изменялась от 2 до 25 мс; расходимость пучка не превышала 25 мрад., максимальная энергия импульса составляла ~ 150 Дж, а пиковая мощность — 100 МВт.

Описана методика изучения динамики процессов нагрева, плавления и последующей кристаллизации, основанная на регистрации изменения интенсивности излучения He-Ne-лазера, отраженного от поверхности полупроводника. Техника эксперимента позволяла устанавливать образцы в зоне максимальной плотности энергии импульсного ОКГ. Описана методика приготовления образцов полупроводников (германий, кремний, антимонид индия, антимонид кадмия, теллурид кадмия) для исследования. Методика приготовления образцов включает получение скола монокристалла в вакууме перед лазерным облучением.

В третьей главе приведены результаты исследований процессов нагрева полупроводников миллисекундными импульсами лазерного излучения.

Временные характеристики нагрева и плавления исследованы на образцах германия по изменению интенсивности отраженного от поверхности зондирующего излучения гелий-неонового лазера.

Нагрев и плавление поверхностного слоя кристаллов производились излучением неодимового лазера при плотностях энергии светового потока 1080 Дж/см2 и длительности импульса 3,5 мс. Облучение осуществлялось в вакууме 4104 Па при предварительной температуре образцов 850900 К.

Зондирующий луч гелий-неонового лазера (=0,63 мкм) отражался от поверхности образца под углом ~1 рад.

На рис. 1 приведены типичные осциллограммы отраженного сигнала зондирующего лазера при различных плотностях энергии греющего излучения (а—е) и форма импульса греющего излучения (ж).

Рис. 1. Временные зависимости интенсивности отраженного зондирующего излучения при различных плотностях потока энергии греющего излучения E (Дж/см2): а – 12; б – 25;

При плотностях энергии ниже порога плавления интенсивность отраженного излучения несколько возрастает из-за разогрева поверхностного слоя (рис. 1, а). При плотностях энергии выше порога плавления германия наблюдается скачкообразное увеличение интенсивности отраженного излучения, обусловленное образованием жидкой фазы материала (рис. 1, б—д). В этом случае изменение плотности энергии греющего излучения от порогового значения 30 до 60 Дж/см2 сопровождается увеличением времени существования жидкой фазы на поверхности полупроводника до 5 мс. На всех осциллограммах непосредственно перед плавлением наблюдается уменьшение (до ~ 20 %) интенсивности отраженного излучения, что, связано с изменением характера отражения с зеркального на диффузное вследствие возникновения локальных неоднородностей на поверхности образцов при температурах вблизи точки плавления. Для миллисекундного режима работы лазеров характерно существование неоднородного распределения энергии излучения во времени, что обуславливает особенности кинетики плавления и перекристаллизации. При энергиях, мало отличающихся от порога плавления, вследствие пространственно-временной неоднородности излучения плавление и перекристаллизация могут происходить несколько раз за время действия импульса (рис. 1, б), что необходимо учитывать при рассмотрении сегрегационных эффектов. Увеличение энергии излучения приводит к увеличению глубины проплавленной зоны. Вид осциллограмм при этом изменяется (рис. 1, в—д).

Металлографические исследования облученных кристаллов показали, что при увеличении плотности светового потока от 30 до 60 Дж/см2 толщина перекристаллизованного слоя увеличивается от 2 до 20 мкм. При этом граница раздела фаз, несмотря на наличие рельефа, связанного с действием сил поверхностного натяжения в расплаве, является плоской. При дальнейшем увеличении энергии импульса происходит механическое разрушение образцов из-за больших термических напряжений. Расчеты показывают, что в этом случае скорость нагрева достигает ~ 106 град./с. Характерно, что растрескивание образцов происходит в начальной стадии действия импульса (рис. 1, е).

Время задержки момента плавления зависит от энергии лазерного импульса и начальной температуры образцов (рис. 2, кривые 1, 2).

Рис. 2. Временные характеристики процессов нагрева и плавления Ge при воздействии лазерного излучения в зависимости от плотности энергии в импульсе: 1, 2 — задержка момента плавления t3 по отношению к началу импульса при T0=950 и 800 К, соответственно;

3, 4 — время существования жидкой фазы tп на поверхности при 950 и 800 К, соответственно; 5 — средняя скорость нагрева vн поверхности от начальной температуры 800 К до плавления (1209 К) Определенная из соотношения Vcp = (Tпл T0 ) t з средняя скорость нагрева слабо зависит от температуры Т0 и составляет для германия величину порядка 105 град./с.

Рассмотрен механизм плавления элементарных полупроводников под воздействием импульсов излучения неодимового лазера, работающего в режиме свободной генерации. Эксперименты проводились на полированных (механически и химически) образцах германия и кремния размерами 550,3 мм3, ориентированных в направлении и, собственного типа проводимости или легированных как донорными, так и акцепторными примесями до уровня 10151016 см3. Облучение проводилось при различных уровнях подогрева образцов (80800 К) на воздухе и в вакууме (~ 103 Па).

Плотность светового потока лазерного излучения составляла 1060 Дж/см2;

длительность импульса изменялась в пределах 1,56 мс.

Установлено, что объемные однородно перекристаллизованные слои образуются при облучении полупроводников импульсами с энергией выше