Диссертация (1105259), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Другими словами, фронт взрывной кристаллизации может представлять собойузкую зону расплавленного вещества. Возможность существования жидкой прослойки нафронте взрывной кристаллизации пленок a-Si:H подтверждается рядом экспериментов,представленным в работах [95,97,100]. Взрывная кристаллизация аморфного кремния можетпроходить также и в твердой фазе при условии оптимально подобранных параметровсканирующего лазера [101].Рис. 11. Схематическое изображение процесса взрывной кристаллизации a-Si:H.Известно, что присутствие водорода в пленках гидрогенизированного аморфногокремния оказывает существенное влияние на процесс кристаллизации [102].
В частности,водород замедляет взрывную кристаллизацию, так как большая плотность лазерной энергиитребуется для кристаллизации заданного объема гидрирогенизированного материала [103].40В последние годы, как отмечено выше, появились работы, в которых для структурноймодификации пленок a-Si:H используется мощное лазерное излучение с длительностьюимпульсов в фемтосекундном диапазоне.
Интерес к использованию фемтосекундныхимпульсов связан с фундаментальным отличием процессов поглощения излучения имеханизмов изменения структуры материала по сравнению с режимами облучения внаносекундном диапазоне длительности импульсов.Рассмотрим подробнее процессы, происходящие в полупроводниковом материалепосле поглощения им сверхбыстрого лазерного импульса. Можно выделить четырепоследовательные стадии изменений в материале: возбуждение носителей заряда, ихтермализация в зонах полупроводника, рекомбинация и диффузия носителей заряда,термические и структурные явления [104].
Все эти процессы схематически показаны на рис.12 с указанием характерных временных масштабов.Рис. 12. Процессы, происходящие в полупроводнике после его возбужденияфемтосекундными лазерными импульсами [105].На первой стадии происходит поглощение фотонов света в полупроводнике.
Еслиэнергия фотонов лазерного излучения превышает ширину запрещенной зоны материала, топроисходит однофотонное поглощение света. Если же ширина запрещенной зоны большеэнергии фотонов лазерного пучка, либо полупроводник является непрямозонным, инеобходимо участие фононов, то преимущественно будет происходить нелинейноемногофотонное поглощение при больших интенсивностях падающего света [105]. Другимвозможным способом возбуждения носителей является ударная ионизация. Свободные41электроны и дырки могут поглощать лазерное излучение, увеличивая при этом своюкинетическую энергию.
Если свободные носители обладают кинетической энергией большей,чем ширина запрещённой зоны материала, при столкновении с валентными электронами онимогут создать новую электронно-дырочную пару («выбивать валентный электрон»).Основное отличие фемтосекундного лазерного отжига от лазерного отжига внаносекундном диапазоне состоит в том, что многофотонное нелинейное оптическоепоглощение в этом случае может привести к возникновению в полупроводнике чрезвычайнонеравновесного состояния электронной подсистемы [105]. При облучении a-Si:H мощнымифемтосекундными лазерными импульсами возможно одновременное возбуждение в зонупроводимости до 10-15% валентных электронов. В результате происходит ослаблениевалентных связей между атомами кремния, что приводит к, так называемому, «холодномуплавлению» структуры без существенного разогрева атомной структуры [106].
«Ослабление»связей между соседними атомами, позволяет кремниевой матрице релаксировать кравновесному кристаллическому состоянию. Важно отметить, что эффект «холодногоплавления» может наблюдаться только в случае длительности импульса, меньшейхарактерного времени электрон-фононного взаимодействия, которое составляет несколькопикосекунд для a-Si:H.Наличие фазы нетермического плавления a-Si:H на временном масштабе меньше 2 пспослевоздействияфемтосекундноголазерногоимпульсабылоэкспериментальнопродемонстрировано в работе [107], при помощи спектроскопии высокого временногоразрешения.
Важно отметить, что, согласно [107], через 500 пс после прихода лазерногоимпульса на поверхность пленки происходит плавление приповерхностного слоя икристаллизация вещества по взрывному механизму.Возбужденные лазерным импульсом, свободные носители заряда участвуют впроцессах рассеяния на других электронах и дырках и на фононах (см. рис. 12).
Рассеяние надругих носителях заряда не изменяет их числа и энергии (упругое рассеяние). Рассеяние нафононах является неупругим, то есть приводит к потере носителем части энергии, котораяидет на испускание фононов. Иными словами происходит термализация носителей вразрешенных зонах полупроводника, сопровождающаяся нагревом материала. Такой процессможет длиться несколько пикосекунд, прежде чем решетка атомов и электронная подсистемапридут в тепловое равновесие.42После термализации в зонах остаются избыточные носители заряда.
Эти носителирекомбинируют излучательно или безызлучательно или диффундируют из возбужденнойобласти. Когда свободные носители приходят к равновесной температуре с атомным остовом,а избыточные носители удалены из области возбуждения, материал приходит в то жесостояние, как если бы нагревался другими методами (например, при отжиге в печи).Вещество, облученное сверхкороткими лазерными импульсами, приходит к равновеснойтемпературе всего за несколько пикосекунд, но уход неравновесных носителей из областивозбуждения (за счет диффузии и рекомбинации) занимает гораздо большее время. Еслитемпература материала, достигнутая в результате лазерной обработки, превысит температурукипения кремния, то начинает происходить испарение материала, приводящее к егоудалению с подложки.
Если температура достигла точки плавления облучаемого образца, ноне достигла точки кипения, то материал плавится. За счет теплообмена с необработаннымиобластямиплёнкикристаллизация).облученнаяПриэтомобластьструктура,охлаждаетсяивитоге,конечномзатвердевает(жидкофазнаяможет отличатьсяотпервоначальной [108, 109]. Если же не происходит никаких фазовых переходов, тотемпература облученной области сравнивается с температурой всего материала за несколькомикросекунд.1.3.2 Структура пленок a-Si:H, облученных лазерными импульсамиЭффективным методом характеризации структуры объема пленок a-Si:H, облученныхлазерными импульсами, является просвечивающая электронная микроскопия. В работах [110,111] методом ПЭМ показано образование кремниевых кристаллитов нанометрового размерапри облучении пленок a-Si:H наносекундными лазерными импульсами.В работе [112] были определены пороговые значения плотности энергии лазерныхимпульсов, необходимые для кристаллизации аморфного кремния.
На рисунке 13представлена зависимостьпороговойплотностилазерныхимпульсовот толщиныоблучаемой пленки. Под пороговой плотностью энергии лазерных импульсов авторыпонимали значение плотности энергии, необходимое для достижения значения подвижностиносителей заряда 100 см2/В·с. Данное высокое значение характерно для nc-Si:H. Отметим,что подвижность в работе определялась по методу эффекта поля. Как видно из рисунка,пороговая плотность энергии линейно зависит от толщины пленки. На рис.
13 такжепредставлена зависимость глубины плавления пленки от плотности энергии лазерных43импульсов, полученная с помощью метода ПЭМ. Из рисунка следует, что при увеличенииплотности энергии лазерных импульсов глубина плавления увеличивается.Рис. 13. Зависимость пороговой плотности лазерных импульсов ET от толщины пленок aSi:H (черные круги). Крестами изображена зависимость глубины плавления пленки (верхняяшкала) от плотности энергии лазерных импульсов (правая шкала). Облучение проводилосьKrF лазером с длиной волны 248 нм [112].Для определения структуры облученных лазерными импульсами пленок a-Si:H можетбыть использован метод спектроскопии комбинационного рассеяния света [96, 113, 114].
Нарисунке 14 представлены спектры КРС для пленок a-Si:H толщиной 500 нм, облученных приразличных плотностях энергии наносекундных лазерных импульсов. Как видно из рисунка,на спектрах всех образцов присутствует характерный максимум вблизи 480 см-1,соответствующий поперечной фононной моде в структуре аморфного кремния [115, 116].После облучения пленок импульсами с плотностью энергии более 100 мДж/см2 на спектрахпоявляется ярко выраженный максимум вблизи частоты 520 см-1, соответствующийпоперечной фононной моде в структуре кристаллического кремния [117]. При этом, какможно видеть из рис. 14, при увеличении плотности энергии лазерных импульсов объемнаядоля кристаллической фазы в облученной пленке a-Si:H увеличивается.44Рис.
14. Спектр комбинационного рассеяния света для пленки a-Si:H толщиной 500нм,обработанной лазерными импульсами с различной плотностью энергии [96].При облучении пленок a-Si:H наносекундными лазерными импульсами былообнаружено, что процесс кристаллизации пленок сопровождается эффузией водорода изпленки [118]. Этот процесс, называемый дегидрогенизацией, является результатом разрываSi–H связей (энергия связи 3.4 эВ [119]) при поглощении фотона лазерного излучения сэнергией порядка 5 эВ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
