Лазерне мікро- наноструктурування та легування приповерхневих шарів напівпровідникових матеріалів

Abstract

Дисертаційна робота присвячена розробці технології мікронаноструктурування напівпровідникових матеріалів і формування тонких легованих шарів у напівпровідниках під дією лазерного випромінювання. Експериментально досліджена можливість мікро- наноструктурування монокристалічного кремнію за допомогою трьох типів лазерів – рубінового, неодимового і СО2 лазера. Показано, що плавлення Si при порогових значеннях енергії лазерного випромінювання має локальний характер, а форма закристалізованих проплавів залежить від кристалографічної орієнтації зразків. Одержано поверхневі періодичні структури з розмірами в нанометровому діапазоні, що можна використовувати для підвищення ефективності фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії. Експериментально досліджена можливість твердофазного легування і формування у напівпровідниках субмікронних легованих шарів під дією потужних лазерних імпульсів. Проаналізовані і обгрунтовані оптимальні умови лазерної дії. Досліджені основні електрофізичні параметри p-n переходів і омічних контактів в Si, GaAs, InP, InGaAsP, InGaAs, сформованих методом лазерної дифузії домішки з плівки лігатури. Особливі переваги лазерні методи обробки матеріалів мають при формуванні p-n переходів і омічних контактів на основі легко дисоціюючих матеріалів і багатошарових структур. При відповідному виборі складу твердих розчинів цю методику можна ефективно використовувати при виготовленні фоточутливих структур в елементах мікронаноелектроніки і оптоелектроніки. Диссертационная работа посвящена разработке технологии микронаноструктурирования полупроводниковых материалов и формирования сверхтонких легированных слоев в полупроводниках под действием лазерного излучения. Экспериментально исследована возможность микронаноструктурирование монокристаллического кремния с помощью трех типов лазеров - рубинового, неодимового и СО2 лазера. Показано, что плавление Si при пороговых значениях энергии лазерного излучения имеет локальный характер, а форма закристаллизированных проплавов зависит от кристаллографической ориентации образцов. Получены поверхностные периодические структуры с размерами в нанометровом диапазоне, что можно использовать для повышения эффективности фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии. Экспериментально исследована возможность твердофазного легирования и формирования в полупроводниках субмикронных легированных слоев под действием мощных лазерных импульсов. Проанализированы и обоснованы оптимальные условия лазерного воздействия. Исследованы основные электрофизические параметры p-n переходов и омических контактов в Si, GaAs, InP, InGaAsP, InGaAs, сформированных методом лазерной диффузии примеси из пленки лигатуры. Особые преимущества лазерные методы обработки материалов имеют при формирования p-n переходов и омических контактов на основе легко диссоциирующих материалов и многослойных структур. При оответствующем выборе состава твердых растворов эту методику можно эффективно использовать при изготовлении фоточувствительных структур в элементах микро- наноэлектроники и оптоэлектроники. The thesis studies the development of micro-nanostructuring of semiconductor materials and formation of ultrathin doped layers in semiconductors under the action of laser radiation. The possibility of micro-nanostructuring of monocrystalline silicon has been experimentally investigated using three types of lasers - ruby, neodymium and CO2 laser. It is shown that the melting of Si at threshold values of the energy of laser radiation has a local character and the shape of crystallized melts depends on the crystallographic orientation of the samples. Surface periodic structures with nanometer dimensions range are obtained. That can be used to create effective photovoltaic converters of solar energy. The possibility of solid-phase doping and formation in semiconductors of submicron doped layers under the action of powerful lasers pulses are experimentally examied. A p-n junction formed by means of laser stimulated diffusion of dopants into semiconductors (Si, GaAs, InP, InGaAsP, InGaAs) were investigated. SIMS and AES spectroscopy methods were used to measure the depth profiles of the incorporated impurities: B into Si, Zn into GaAs and InP. The volt-capacity method using an electrochemical profilometer was used for the charge carrier concentration distribution in the doped layer. Spectroscopy investigation have shown that during solid phase diffusion locally doped regions exactly reproduce the shape and size of the windows in the dielectrics. The concentration profiles of charge carrier distribution in the doped layers clearly show the specific processes of dopant diffusion and evaporation at laser solid-phase doping of semiconductors. The comparative analysis of parameters of formed semiconductor structure shows that the procedure of laser solid-phase doping can stand the comparison with technology of implantation and conventional diffusion technology. Since the laser solid-phase doping ensures also a high degree of reproducibility of p-n junction parameters, it can be effectively used for electronic devices fabrication.