激光辐照下半导体材料杂质动力学及诱导损伤机理研究

发布时间：2018-10-31 16:03

【摘要】：半导体材料中的杂质对材料性能具有决定性的影响,无论为获得满足性能要求的半导体材料而有目的性地主动掺杂,或是在半导体器件制备过程中被动引入杂质,均意味着杂质存在是我们所关注的真实半导体材料、器件的固有属性。激光辐照下杂质分布所带来的局域吸收、耦合,以及杂质动力学过程所引起的对能量输运和入射激光光场分布的影响均将会对半导体材料的性能变化和激光与半导体材料相互作用特性产生重要甚至是决定性的作用。然而,目前对激光辐照下由杂质缺陷分布及其演化动力学诱导产生的微观物理图像与对材料宏观性能的影响机理尚缺乏认识,同时也缺乏理论模型的描述和预测能力。本论文以Ti金属掺杂单晶硅材料/器件为研究对象,结合量子化学工具、经典的速率理论与Monte-Carlo方法,对激光辐照下半导体材料中缺陷杂质的分布、演化及其与宏观物理性能间的关系进行了系统的研究,主要围绕激光参量与杂质迁移演化的动力学过程和杂质分布如何增强激光场分布展开,提出并建立了基于第一性原理与蒙特卡罗方法的激光辐照下半导体材料中杂质分布演化动力学模型,同时也提出了研究激光辐照下半导体材料中微观物理过程与宏观物理性能间关系的新思路。具体的研究成果包括：(1)激光参量、材料的耗散因素和空位浓度对缺陷杂质迁移规律具有重要的影响。杂质的迁移速度随激光功率密度增大而增大,随材料的耗散因子减少而增大,并且随时间的变化趋势满足双指数衰减规律。然而,杂质的迁移与空位缺陷浓度的关系较为复杂,在较高的空位浓度情况下,缺陷杂质原子浓度峰值处的浓度随激光辐照时间的变化先增大后减小。较高的空位浓度有利于缺陷杂质原子的浓度扩散,但是当空位浓度过高时,不利于缺陷杂质原子的扩散。(2)在激光辐照下缺陷杂质原子的空间分布具有较强的非均匀性,随机地出现缺陷杂质原子浓度的波峰和波谷。但是随着辐照时间的增加,波峰和波谷出现的位置相对稳定,而且缺陷杂质原子浓度的波峰出现增长,即激光辐照下半导体材料中杂质分布出现了局域聚集,在材料中形成具有一定几何包络形状的局域杂质分布构型。(3)激光辐照下,半导体硅材料中的光场分布受到局域杂质分布构型、浓度以及激光波长的影响。对于一定构型的杂质局域分布,激光光场增强的区域总位于掺杂结构的边缘。多个杂质分布构型存在时,特别是两个大小不同的球形杂质分布构型,两者半径差别越大,较小球体构型附近区域的电场增强就越大。这对于实际应用中通过缺陷来调控材料的损伤有着指导意义。(4)实验上,证实了掺入Ti原子硅单晶中吸收截面或光场增强的结果来源于缺陷杂质吸收；激光辐照p-n结时,硅材料表面的金属(电极)会迁移扩散进入p-n结内部,引起杂质的重新分布,进而导致结区局域损伤,器件物理性能退化,进一步证实了本论文的立意即从缺陷的角度去深入理解激光辐照下杂质缺陷的微观响应与半导体宏观性能变化的内在关联。本论文研究为探索激光对半导体材料的损伤起源机制,以及利用激光与半导体材料中杂质的相互作用实现对材料性能改变和控制的方法奠定基础,同时也为实现从微观物理过程到材料激光辐照下宏观失效的预测、跨越多个尺度范围的计算探索一种可选的新方法。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN304

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本文编号：2302798