激光诱导半导体材料退火过程中非热融化机理的研究

       

集成电路已经接近物理极限，微电子技术已经从“微电子科学”转向“纳电子科学”，从“摩尔定律时代”进入“后摩尔时代”，面临“没有已知解决方案”的基本物理问题挑战，如何延续摩尔定律是当前最重要的前沿科技。迫切需要发展突破硅CMOS器件性能瓶颈的新材料、新结构、新理论、新器件和新电路等系统性的创新体系，以适应未来对半导体技术“更高速、更智能”的需求。新材料、新结构的引入严重限制了热处理预算，对CMOS退火工艺提出了巨大挑战。在上世纪70年代提出了超快激光退火的方法，但是其物理机理一直没有理解清楚。随着新一代光源的出现，得以观察脉冲激光辐照下原子尺度的超快动力学过程，此争议最近又重新成为讨论热点。

为了理解硅等半导体在激光退火过程中的超快非热融化机理，中科院半导体所的骆军委研究团队和汪林望教授合作，利用含时密度泛函理论(rt-TDDFT)方法研究了半导体硅中超快激光诱导结构的非热融化现象，揭示超快激光脉冲辐照硅后，把电子从成键态的价带激发到反成键态的导带，产生使键变长的原子力，但是作用在每个原子上的合力仍然等于零，类似声学声子引起的载流子形变势散射，热声子引起的原子随机振动使得能带发生局域涨落，载流子向能级低的局域集聚，打破对称性形成局域畸变的融化核，均匀分布的局域融化核在电-声耦合自放大作用下快速扩大连成一体，导致亚皮秒尺度的超快非热融化 (如图2和图3所示)。这显著区别于惯性模型、声子不稳定性或库仑排斥等经典理论模型认为的融化层内所有原子键同时断裂的非热融化机制。另外，参与局部晶格畸变自放大过程的载流子必须位于带边，所以需要足够量的光激发热载流子冷却到能带边缘，这部分热载流子冷却所需的时间决定了使用短激光波长的熔化时间大于使用长激光波长(如图1和图4所示)。为此，他们提出通过调节激光波长可以有效控制激光退火过程，此研究将有望为半导体飞秒激光脉冲退火的应用提供理论指导。上述模拟均在软件PWmat中实现，此软件利用GPU服务器架构，可加速rt-TDDFT计算。

       

图1. 两种激光脉冲波长(610 nm 和 387 nm)诱导的硅晶体非热熔化的模拟。(A) 理论模拟与实验测量的衍射强度的演化。(B)光激发的电子和空穴分布。(C) 不同光子能量激发下，硅晶体熔化的时间。

       

图2. 长波长激光脉冲照射硅晶体实现超快非热熔化动力学。(A) 衍射强度随时间的演化。(B) 晶格温度作为时间的函数。(C) 原子的均方根位移 (RMSD) 作为时间的函数。(D) 光激发后林德曼粒子的数量。(E) 在 0、50、80 和 150 fs 时刻的原子结构，红色球代表Lindemann 粒子(即熔融原子)，黄**域代表光激发电子的实空间分布。(F) 激光诱导的超快非热熔化均匀成核的示意图，红点代表与Lindemann 粒子簇对应的随机分布的成核种子。

       

图3. 由电子 - 晶格耦合引起的自放大，自捕获的动力学。(A) 入射光子将占据成键态的价电子激发到导带中空的反键态。光激发的电子和空穴均匀分布在原子键之间，产生等量的原子间力。(B) 晶格振动引起的原子随机运动导致晶格局部畸变，进而产生带边能级波动。(C) 拉伸扭曲区域充当激发电子和空穴的俘获中心并诱导载流子转移。反过来，载流子转移放大了初始局域畸变的区域，此过程是一个不稳定的自捕获过程，类似于极化子打破了平移对称性。

       

图4. 短波长激光脉冲照射硅晶体实现超快非热熔化动力学，包括了两种模拟：一种考虑了热载流子冷却(红线)，另一种没有载流子冷却(蓝线)。(A) 衍射强度随时间的演化。(B) 晶格温度作为时间的函数。(C) 原子的均方根位移 (RMSD) 作为时间的函数。(D) 光激发后林德曼粒子的数量。(E，F) 在 100、300、500 和 1000 fs 时刻的原子结构，黄**域代表光激发电子的实空间分布，红色球代表Lindemann 粒子(即熔融原子)。