【摘要】：半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)對(duì)材料性能具有決定性的影響,無(wú)論為獲得滿足性能要求的半導(dǎo)體材料而有目的性地主動(dòng)摻雜,或是在半導(dǎo)體器件制備過(guò)程中被動(dòng)引入雜質(zhì),均意味著雜質(zhì)存在是我們所關(guān)注的真實(shí)半導(dǎo)體材料、器件的固有屬性。激光輻照下雜質(zhì)分布所帶來(lái)的局域吸收、耦合,以及雜質(zhì)動(dòng)力學(xué)過(guò)程所引起的對(duì)能量輸運(yùn)和入射激光光場(chǎng)分布的影響均將會(huì)對(duì)半導(dǎo)體材料的性能變化和激光與半導(dǎo)體材料相互作用特性產(chǎn)生重要甚至是決定性的作用。然而,目前對(duì)激光輻照下由雜質(zhì)缺陷分布及其演化動(dòng)力學(xué)誘導(dǎo)產(chǎn)生的微觀物理圖像與對(duì)材料宏觀性能的影響機(jī)理尚缺乏認(rèn)識(shí),同時(shí)也缺乏理論模型的描述和預(yù)測(cè)能力。本論文以Ti金屬摻雜單晶硅材料/器件為研究對(duì)象,結(jié)合量子化學(xué)工具、經(jīng)典的速率理論與Monte-Carlo方法,對(duì)激光輻照下半導(dǎo)體材料中缺陷雜質(zhì)的分布、演化及其與宏觀物理性能間的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,主要圍繞激光參量與雜質(zhì)遷移演化的動(dòng)力學(xué)過(guò)程和雜質(zhì)分布如何增強(qiáng)激光場(chǎng)分布展開(kāi),提出并建立了基于第一性原理與蒙特卡羅方法的激光輻照下半導(dǎo)體材料中雜質(zhì)分布演化動(dòng)力學(xué)模型,同時(shí)也提出了研究激光輻照下半導(dǎo)體材料中微觀物理過(guò)程與宏觀物理性能間關(guān)系的新思路。具體的研究成果包括：(1)激光參量、材料的耗散因素和空位濃度對(duì)缺陷雜質(zhì)遷移規(guī)律具有重要的影響。雜質(zhì)的遷移速度隨激光功率密度增大而增大,隨材料的耗散因子減少而增大,并且隨時(shí)間的變化趨勢(shì)滿足雙指數(shù)衰減規(guī)律。然而,雜質(zhì)的遷移與空位缺陷濃度的關(guān)系較為復(fù)雜,在較高的空位濃度情況下,缺陷雜質(zhì)原子濃度峰值處的濃度隨激光輻照時(shí)間的變化先增大后減小。較高的空位濃度有利于缺陷雜質(zhì)原子的濃度擴(kuò)散,但是當(dāng)空位濃度過(guò)高時(shí),不利于缺陷雜質(zhì)原子的擴(kuò)散。(2)在激光輻照下缺陷雜質(zhì)原子的空間分布具有較強(qiáng)的非均勻性,隨機(jī)地出現(xiàn)缺陷雜質(zhì)原子濃度的波峰和波谷。但是隨著輻照時(shí)間的增加,波峰和波谷出現(xiàn)的位置相對(duì)穩(wěn)定,而且缺陷雜質(zhì)原子濃度的波峰出現(xiàn)增長(zhǎng),即激光輻照下半導(dǎo)體材料中雜質(zhì)分布出現(xiàn)了局域聚集,在材料中形成具有一定幾何包絡(luò)形狀的局域雜質(zhì)分布構(gòu)型。(3)激光輻照下,半導(dǎo)體硅材料中的光場(chǎng)分布受到局域雜質(zhì)分布構(gòu)型、濃度以及激光波長(zhǎng)的影響。對(duì)于一定構(gòu)型的雜質(zhì)局域分布,激光光場(chǎng)增強(qiáng)的區(qū)域總位于摻雜結(jié)構(gòu)的邊緣。多個(gè)雜質(zhì)分布構(gòu)型存在時(shí),特別是兩個(gè)大小不同的球形雜質(zhì)分布構(gòu)型,兩者半徑差別越大,較小球體構(gòu)型附近區(qū)域的電場(chǎng)增強(qiáng)就越大。這對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)缺陷來(lái)調(diào)控材料的損傷有著指導(dǎo)意義。(4)實(shí)驗(yàn)上,證實(shí)了摻入Ti原子硅單晶中吸收截面或光場(chǎng)增強(qiáng)的結(jié)果來(lái)源于缺陷雜質(zhì)吸收；激光輻照p-n結(jié)時(shí),硅材料表面的金屬(電極)會(huì)遷移擴(kuò)散進(jìn)入p-n結(jié)內(nèi)部,引起雜質(zhì)的重新分布,進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)區(qū)局域損傷,器件物理性能退化,進(jìn)一步證實(shí)了本論文的立意即從缺陷的角度去深入理解激光輻照下雜質(zhì)缺陷的微觀響應(yīng)與半導(dǎo)體宏觀性能變化的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。本論文研究為探索激光對(duì)半導(dǎo)體材料的損傷起源機(jī)制,以及利用激光與半導(dǎo)體材料中雜質(zhì)的相互作用實(shí)現(xiàn)對(duì)材料性能改變和控制的方法奠定基礎(chǔ),同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)從微觀物理過(guò)程到材料激光輻照下宏觀失效的預(yù)測(cè)、跨越多個(gè)尺度范圍的計(jì)算探索一種可選的新方法。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)工程物理研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TN304

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本文編號(hào)：2302797