xxiii πανελληνιο ÏƒÏ Î½ÎµÎ´ÏÎ¹Î¿ Ï†Ï ÏƒÎ¹ÎºÎ·Ï‚ στερεας καταστασης & επιστημης ...

Ανόπτηση SiC με Λέιζερ και Χαρακτηρισμός Οπτικών Ιδιοτήτων
Χ. Μπουτόπουλος 1* , Π. Τερζής 1,2 , Α.Γ. Κόντος 1 , Κ. Ζεκεντές 2 , Ι.Σ. Ράπτης 1 και Ι. Ζεργιώτη 1
1
Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Τομέας Φυσικής, Hρώων Πολυτεχείου 9, 15780, Ζωγράφου, Αθήνα, Ελλάδα
2
Ίδρυμα Τεχνολογίας & Έρευνας, Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής & Λέιζερ, 71110, Ηράκλειο, Κρήτη, Ελλάδα
*cboutop@mail.ntua.gr
Ι. ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται αποτελέσματα ανόπτησης του ημιαγωγού καρβιδίου του πυριτίου (SiC) με χρήση
παλμικών λέιζερ. Δείγματα SiC εμφυτευμένα με ιόντα Al ακτινοβολήθηκαν με λέιζερ με σκοπό την αποκατάσταση της
κρυσταλλικής βλάβης και την ενεργοποίηση των προσμίξεων. Δύο διαφορετικές πηγές λέιζερ χρησιμοποιήθηκαν: ένα λέιζερ
Nd:YAG (3ω λ=355nm) με διάρκεια παλμού τ = 4ns και ένα excimer λέιζερ KrF (λ=248nm) με διάρκεια παλμού τ = 34ns.
Στην περίπτωση της ακτινοβόλησης με το λέιζερ Nd:YAG διαπιστώθηκε με τεχνικές φασματοσκοπίας Raman και
υπέρυθρης ανακλαστικότητας (FTIR) μερική αποκατάσταση της κρυσταλλικής βλάβης. Για την περίπτωση του
ακτινοβολημένου με λέιζερ KrF (λ=248nm) SiC διαπιστώθηκε αποκατάσταση της κρυσταλλικής βλάβης με τεχνικές
υπέρυθρης ανακλαστικότητας (FTIR) και περίθλασης ακτίνων - x (XRD).
II. ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένα ημιαγωγός με ευρύ χάσμα ο οποίος παρουσιάζει εξαιρετικό ενδιαφέρον για την
κατασκευή ηλεκτρονικών και οπτοηλεκτρονικών διατάξεων. Έχει αξιοσημείωτες φυσικές ιδιότητες όπως υψηλή ευκινησία
ηλεκτρονίων, υψηλή θερμική αγωγιμότητα και υψηλό πεδίο ηλεκτρικής διάτρησης. Εξαιτίας των ειδικών αυτών ιδιοτήτων,
το SiC είναι κατάλληλο για διατάξεις υψηλής θερμοκρασίας, συχνότητας και ισχύος [1]. Η τεχνική της εμφύτευσης των
ιόντων διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην κατασκευή σύγχρονων μικροηλεκτρονικών διατάξεων μιας και προσφέρει
ακρίβεια, επιλεκτικότητα και επαναληψιμότητα στην εισαγωγή προσμίξεων σε ημιαγωγούς. Η εμφύτευση όμως των ιόντων
προκαλεί κρυσταλλική βλάβη η οποία για μεγάλες δόσεις ιόντων μπορεί να οδηγήσει στη δημιουργία ενός άμορφου
στρώματος [2-3]. Για την αποκατάσταση της κρυσταλλικής βλάβης και την ενεργοποίηση των προσμίξεων απαιτείται ένα
βήμα ανόπτησης σε θερμοκρασίες πάνω από 1500 ο C. Η συμβατική μέθοδος της ανόπτησης με φούρνο (Furnace Annealing)
παρουσιάζει διάφορα μειονεκτήματα με κυριότερα την ανακατανομή των προσμίξεων και την επιφανειακή τραχύτητα των
ανοπτημένων δειγμάτων. Η ανταγωνιστική μέθοδος της ταχείας θερμικής ανόπτησης (Rapid Thermal Annealing) υστερεί
στην ενεργοποίηση των προσμίξεων και οδηγεί σε φαινόμενα διάχυσης μη ισορροπίας κατά την ανόπτηση.
Η χρήση παλμικών λέιζερ επιτρέπει την συσσώρευση ενός ποσού ενέργειας στην εμφυτευμένη με ιόντα περιοχή σε ένα
πολύ μικρό χρονικό διάστημα ενώ το υπόστρωμα παραμένει σε χαμηλή θερμοκρασία. Η ανόπτηση των επιφανειακών
στρωμάτων συμβαίνει μέσω κύκλων τήξεως και επανακρυστάλλωσης, εξελίσσεται σε πολύ βραχύ διάστημα (50-150 ns) και
αποτελεί διεργασία μη θερμοδυναμικής ισορροπίας. [4-5]. Η τεχνική της ανόπτησης με παλμικά λέιζερ καθιερώνεται σαν μια
εναλλακτική τεχνική ανόπτησης ημιαγωγών και εφαρμόζεται με επιτυχία σε ημιαγωγούς όπως το Si και το SiC.
ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΣΥΖΗΤΗΣΗ
Στο Σχήμα 1 παρουσιάζονται φάσματα υπέρυθρης ανακλαστικότητας από καθαρά, εμφυτευμένα με ιόντα, και ανοπτημένα
με λέιζερ στα 355nm δείγματα 4H-SiC. Η εμφύτευση των ιόντων Al έχει προκαλέσει την πτώση της ανακλαστικότητας στην
ζώνη Reststrahlen (770-970cm -1 ). Η ακτινοβόληση στα 0.15 J/cm 2 (100 παλμοί) προκαλεί μικρή αύξηση της
ανακλαστικότητας σε σύγκριση με το καθαρό δείγμα. Το καλλίτερο αποτέλεσμα επιτυγχάνεται με την “μέθοδο πολλαπλής
ακτινοβόλησης” και για ενεργειακές πυκνότητες 0.15 J/cm 2 (33 παλμοί) + 0.25 J/cm 2 (33 παλμοί) + 0.35 J/cm 2 (33 παλμοί).
H ανακλαστικότητα στην ζώνη Reststrahlen έχει αυξηθεί σε σύγκριση με το μη ακτινοβολημένο δείγμα καταδεικνύοντας
βελτίωση της κρυσταλλικότητας. Οι χαρακτηριστικές κορυφές που εμφανίζονται στα φάσματα μετά τα 1000 cm -1 ,
οφείλονται στα διαφορετικά στρώματα από τα οποία αποτελείται το δείγμα [6].
Με τεχνική φασματοσκοπίας micro-Raman αναλύθηκαν εμφυτευμένα με ιόντα, και ανοπτημένα με λέιζερ στα 355nm
δείγματα 4H-SiC. Στο Σχήμα 2 παρουσιάζονται φάσματα που λήφθηκαν από ένα μη αναπτημένο δείγμα 4H-SiC και δύο
ανοπτημένα με λέιζερ (λ=355nm) δείγματα, το ένα στα 0.75 J/cm 2 και το άλλο στα 0.55 J/cm 2 . Τα φάσματα με εξαίρεση
αυτό που λήφθηκε από το ακτινοβολημένο στα 0.75 J/cm 2 δείγμα παρουσιάζουν τα ίδια χαρακτηριστικά και είναι σύμφωνα
με την βιβλιογραφία [7].Στο φάσμα που λήφθηκε από το ακτινοβολημένο με 0.75 J/cm 2 δείγμα παρουσιάζεται ελαττωμένη
σκέδαση από την κρυσταλλική φάση του 4H-SiC ενώ εμφανίζεται και μια διευρυμένη κορυφή με κέντρο τα 480cm -1 ,
ενδεικτική της ύπαρξης όμορφου πυριτίου (a-Si), και μια κορυφή στα 520 cm -1 ενδεικτική της ύπαρξης κρυσταλλικού
πυριτίου (c-Si).
Στο Σχήμα 3 παρουσιάζονται φάσματα υπέρυθρης ανακλαστικότητας από καθαρά, εμφυτευμένα με ιόντα, και
ανοπτημένα με λέιζερ στα 248nm δείγματα 4H-SiC. Η ανόπτηση στις ενεργειακές πυκνότητες 0.1 J/cm 2 (100 παλμοί) + 0.2
J/cm 2 (100 παλμοί) + 0.3 J/cm 2 (100 παλμοί) έχει επαναφέρει την ανακλαστικότητα στην ζώνη Reststrahlen στα επίπεδα του
καθαρού δείγματος. Για τις συγκεκριμένες συνθήκες ακτινοβόλησης η κρυσταλλική βλάβη στο εμφυτευμένο με ιόντα 4H-
SiC έχει αποκατασταθεί πλήρως. Επίσης παρατηρείται πως για ένα σταθερό μοτίβο ακτινοβολήσεων (0.1 J/cm 2 + 0.2 J/cm 2 +
0.3 J/cm 2 ) η ανακλαστικότητα αυξάνεται με την αύξηση των παλμών. Στο Σχήμα 4 παρουσιάζονται φάσματα περίθλασης
ακτίνων-x από καθαρό, εμφυτευμένα με ιόντα Al και ανοπτημένα με λέιζερ στα 248nm 4H-SiC. H εμφύτευση των ιόντων
έχει προκαλέσει αύξηση του FWHM σε σχέση με το καθαρό 4H-SiC από 23arcsec σε 63 arcsec. Στο φάσματα από
60