В статье рассматриваются физические основы воздействия лазерного излучения с полупроводниковым веществом. Показаны возможности и условия для обработки полупроводниковых кристаллов с помощью лазерной техники.
Ключевые слова: лазер, лазерное воздействие, активация, отжиг, рекристаллизация, спонтанное и вынужденное излучения
The article studies the physical basis of the integration of laser radiation with a semiconductor material. Shown opportunity and condition for reorganization semiconductor’s crystal with technical lasers aid
Keywords: laser, integration of laser radiation, activation, cauterize, recrystallize, spontaneity and stimulation of radiation.
К сегодняшнему дню лазерное воздействие на полупроводники стало одним из мощных и легко управляемых средств контролируемого изменения кристаллической структуры и свойств материалов. Поэтому, в последние годы лазеры широко внедряются в различные области полупроводниковой микроэлектроники. Использование лазеров в технологии получения полупроводников с оптимальными параметрами, а также изготовления полупроводниковых приборов (резка кристалла, создания р–n-переходов, электрическая активация примесей, отжиг дефектов, рекристаллизация аморфных слоев, получения солнечных элементов и др.) принято назвать лазерной технологией [1].
Всем известно, что слово лазер (laser) составлено из первых букв английских слов “light amplification by stimulated emission of radiation”, и озвучить в переводе на русский язык как, “усиление света при помощи вынужденного излучения”.
Физические основы лазерных устройств. Фундаменты физических основ лазеров был поставлен немецким физиком А.Эйнштейном и за эти заслуги он получил Нобелевскую премию. Он впервые теоретически обосновал, что возбужденный атом может испускать фотон (квант света) либо самопроизвольно (спонтанно), либо посредством внешним вынуждающим воздействием. Спонтанное излучение случается когда, генерированные фотоны распространяются в произвольных направлениях и имеют произвольные фазы. А второе случается, когда фотон, спонтанно испущенный атомом, может инициировать излучение другого возбужденного атома. Этот процесс с вероятностным характером, получил название как, вынужденное излучения и оно зависеть от плотности фотонов. При вынужденном излучении фотоны имеют одной и тоже частоту, и ту же направление распространения и фазу, как и фотон, производивший этот процесс. Если плотность возбужденных атомов и фотонов достаточно высока, происходит преобладание процесса вынужденного излучения и в результате возникает лазерный эффект. Обобщая сказанные, можно отметить, следующие особенности лазерного излучения. Они заключаются в том, что при вынужденном испускании фотонов, во-первых, их фазы согласованы между собой, т. е. когерентны, во-вторых, они имеют высокий монохроматичность и, в-третьих, способны распространяться на большие расстояния, как хорошо сфокусированные лучи.
На примере широко применяемого на практике рубинового лазера кратко рассмотрим условия возникновения лазерного излучения. На рис. 1 показана энергетическая диаграмма классической лазерной системы — рубинового лазера, в котором активной средой является рубин (Al2O3 + 0,05 % Cr3+). При оптическом возбуждении атома хрома (например, зеленым светом ксеноновой лампы) он переводится с основного состояния 1 в возбужденное 3. Эта система очень быстро (в 0,01 µs) переходить (без излучения) с уровня 3 на уровень 2, который обладает достаточно большим временем жизни (3 ms).
Рис. 1. Диаграмма энергетических уровней ионов хрома в рубине (1 и 2, 3 — соответственно основной уровень ионов хрома (Cr3+) и их возбужденные состояния)
Для того чтобы получить лазерный эффект (возникновение монохроматического узконаправленного когерентного излучения), необходимо сначала достигнуть так называемой инверсной населенности, когда возбужденные состояния хрома должны быть населены электронами более плотно, чем основное состояния, иначе поглощение фотонов невозбужденными атомами (ионами) будет препятствовать преобладанию процесса вынужденного излучения. Другими словами, для инициирования лазерного эффекта необходима создать минимальную пороговую инверсную населенность, т. е. необходимо перевести минимальное число атомов (ионов) среды в возбужденное состояние. Для этого используют различные способы накачки: освещение, бомбардировку электронами, разряд, пропускание тока через среду и т. д.). В рассматриваемом нами рубиновом лазере для создания необходимой инверсной населенности на уровне 2, превышающей населенность уровня 1 и обладающей большим временем жизни, использована оптическая накачка. При достаточной инверсной населенности уровня Е2 происходит быстрый переход электронов с уровня 2 на уровень 1, сопровождаемый вынужденным излучением (переходы 2→1).
Для получения лазерного эффекта обычно активную среду помещают между зеркалами резонатора, не позволяющими фотонам слишком быстро покидать область усиления. Примером оптического резонатора может служить интерферометр Фабри-Перо, состоящий из двух плоскопараллельных зеркал, одно из которых полупрозрачно для вывода вынужденного излучения. Возникающее излучение усиливается и делается когерентным при многократном отражении между зеркалами резонатора.
Полупроводниковая лазерная технология.По виду используемого активного вещества, где обычно генерируется вынужденное излучение, принято разделяют лазеров на газовые, кристаллические, стеклянные, жидкостные и полупроводниковые. А по излучаемой мощности их подразделяют на маломощных (1 µW — 1 W) и мощных (1 W — 104 МW). В зависимости от режима работы различают лазеры, работающие в режиме непрерывного излучения и в импульсном режиме. В таблице 1 приведены свойства и области применения лазеров в полупроводниковой технологии.
Таблица 1
Типы лазеров, их свойства иих применение
|
Тип лазера |
λ, µм |
Свойства |
Область применения |
|
Газовые |
|||
|
На двуокиси углерода (СО2) |
10,6 |
Очень высокий мощность и КПД; излучение в ИК-области спектра |
Обработка материалов (резание, сварка, сверление) |
|
Аргоновый (Аr) |
0,5145 0,5017 и т.д |
Высокая мощность; высокая монохроматичность; низкий КПД; излучение в видимой и УФ — областях спектра |
Обработка поверхностей |
|
Кристаллические |
|||
|
Рубиновый |
0,6943 |
Высокая импульсная мощность; средняя пространственная когерентность |
Полупроводниковая технология; обработка материалов |
|
На YAG: Nd |
0,421 0,532 1,0648 |
Высокий КПД; компактная лазерная головка |
Полупроводниковая технология |
|
Стеклянные |
|||
|
На стекле с примесью неодима Nd+ |
1,06 |
Очень высокая импульсная и небольшая средняя мощность; малая монохроматичность и низкая стоимость |
Обработка материалов |
|
Полупроводниковые |
|||
|
На арсениде галлия, на арсениде галлия-алюминия |
0,85 - 0,91 |
Очень малые размеры; высокий КПД; очень малая когерентность; низкая мощность; длина волны зависит от температуры |
Системы связи на основе полупроводников, предназначенные на короткие расстояния и устройства сигнализации |
Воздействие лазеров на полупроводники сопровождается тепловыми, термоупругими, термопластическими, электрическими и фотоэлектрическими эффектами. Поглощения мощного излучения из области собственного поглощения полупроводника приводит к созданию высокой концентрации свободных носителей заряда и внутренних электрических полей в приповерхностной области, быстрому и локальному нагреву этой области, возникновению в ней термоупругих и пластических деформаций, а при высоких плотностях излучения может привести даже к локальному плавлению поверхности. Большая плотность электронов и дырок, генерированных лазерным излучением, в свою очередь, будет существенно влиять на многие свойства полупроводника, такие как диффузия и рекомбинация носителей заряда, оптическое поглощение, перенос примесей и носителей заряда и т. д. Лазерное излучение из области собственного или примесного поглощения вызывает перезарядку примесных и других дефектных центров. Наряду с этими явлениями поглощение света на колебаниях атомом (как примесных, так и собственных атомов решетки) может усилить эти колебания, увеличивая вероятность перехода атомов в активированное состояние. Такие процессы, стимулированные лазерным излучением, должны способствовать образованию (или исчезновению) дефектов, возникновению внутренних электрических, упругих, температурных полей, и тем самым, изменению скорости атомной диффузии, а в конечном счете изменению свойств полупроводника [2].
Воздействие лазерного излучения на p-n-гомоперехода или гетероперехода, сопровождаемое изменением контактных электрических полей, влияет на процессы перераспределения заряженных примесей. Безызлучательная рекомбинация носителей заряда, генерированных в результате светового, электрического или иного воздействия, может также привести к дефектообразованию и диффузии атомов.
Заключение. В конце статьи, можно показать, что изучения указанных явлений важно для понимания механизма физических процессов. Имеющих место при взаимодействии электромагнитного излучения с твердыми телами, и может быть весьма полезно для прикладных задач атомного материаловедения и полупроводниковой электроники, связанных с контролируемым изменением свойств полупроводников. Следует отметить, что преимущества, получаемые при лазерном воздействии на полупроводники, поистине уникальны и недостижимы при использовании обычных, других методов полупроводниковой технологии.
Литература:
- Байбородин Ю. В.. Основы лазерной техники. — Киев: Наукова думка, 1988. — 383 с.
- Вейко В. П., Метев С. М.. Лазерные технологии в микроэлектронике. — София: Издание БАН, 1991. — 487 с.
