Οπτικά επαγόμενο πλάσμα στο πυρίτιο και εφαρμογές

Abstract

In this work an attempt has been made to simulate the optical generation of electron-hole plasma in silicon. In this numerical model different temperatures for lattice and carriers are assumed in order for the model to be valid for short pulses comparable to the energy relaxation time. Results are derived for the distribution of plasma concentration and plasma and lattice temperature in the illuminated silicon sample as a function of time. Furthermore, two different applications are studied: the optical control of microwave devices and the damage of silicon surface under intense laser illumination. In order to study the optical control of microwaves, the transmission properties of a photo generated inductive grid on silicon are calculated and the dependence on the incident light intensity is explored. This dependence is originated from the dependence of the dielectric function on plasma density. As a second application, the femtosecond laser damage of silicon is studied. Results are presented for the fluence thresholds for melting and evaporation which are in good agreement with the available experimental ones. For the calculation of melting thresholds, especially, the conditions used include the contributions of both thermal and non-thermal mechanism. Thus, it was made possible to define and calculate the non-thermal melting threshold as the laser fluence above which non-thermal contribution dominates over the thermal one. Using the values of fluence thresholds derived from the numerical model an estimation of the size and shape of the craters formed on the silicon surface due to the evaporation and of the heat affected zone has been made. All these quantities are very useful in laser micromachining. Finally, an attempt has been made for the construction of an inductive grid of Schottky diodes on a silicon wafer. Some first results about the microwave response of the device are presented. Also, results from an equivalent circuit representing the device show a good agreement with the experimental ones.

Στην παρούσα εργασία γίνεται μία προσπάθεια υπολογιστικής προσομοίωσης της οπτικής διέγερσης πλάσματος ηλεκτρονίων-οπών στο πυρίτιο. Το υπολογιστικό μοντέλο που κατασκευάστηκε υποθέτει διαφορετικές θερμοκρασίες για τους φορείς και το πλέγμα για να είναι εφαρμόσιμο σε παλμούς πολύ μικρής διάρκειας, συγκρίσιμης με το χρόνο αποκατάστασης της ενέργειας στο πυρίτιο. Με βάση το μοντέλο εξάγονται αποτελέσματα για τις κατανομές της συγκέντρωσης των φορέων και της θερμοκρασίας των φορέων και του πλέγματος στο φωτιζόμενο δείγμα του πυριτίου συναρτήσει του χρόνου. Στη συνέχεια, μελετήθηκαν δύο διαφορετικά πεδία εφαρμογών της οπτικής διέγερσης πλάσματος ηλεκτρονίων-οπών στο πυρίτιο: ο οπτικός έλεγχος μικροκυματικών διατάξεων και οι καταπονήσεις που υφίσταται το πυρίτιο κάτω από την επίδραση ακτινοβολίας laser μεγάλης έντασης. Όσον αφορά στον οπτικό έλεγχο των μικροκυμάτων παρουσιάζονται αποτελέσματα για τη μεταβολή της μικροκυματικής απόκρισης ενός φωτοεπαγόμενου επαγωγικού πλέγματος στο πυρίτιο με την ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας που οφείλεται στην εξάρτηση της διηλεκτρικής συνάρτησης από τη συγκέντρωση του πλάσματος. Ως δεύτερη εφαρμογή γίνεται μία μελέτη των καταπονήσεων του πυριτίου με laser μικρής διάρκειας παλμού και παρουσιάζονται αποτελέσματα για τα κατώφλια έκθεσης στην ακτινοβολία για τήξη και εξάχνωση τα οποία είναι σε καλή συμφωνία με τα διαθέσιμα πειραματικά αποτελέσματα. Για τον υπολογισμό των κατωφλίων τήξης χρησιμοποιήθηκαν κατάλληλες συνθήκες τήξης που συνυπολογίζουν τις συνεισφορές του θερμικού και του μη- θερμικού μηχανισμού. Έτσι, κατέστη δυνατό να οριστεί και να υπολογιστεί το κατώφλι έκθεσης για τη μη-θερμική τήξη, δηλαδή η τιμή έκθεσης πάνω από την οποία η μη θερμική συνεισφορά στην τήξη επικρατεί της αντίστοιχης θερμικής. Με βάση τις τιμές των κατωφλίων έκθεσης που υπολογίστηκαν από το μοντέλο, έγινε μία εκτίμηση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών των κρατήρων που σχηματίζονται στην επιφάνεια του πυριτίου λόγω εξάχνωσης καθώς και το μέγεθος της ζώνης που επηρεάστηκε θερμικά από το laser (heat affected zone). Όλες αυτές οι ποσότητες είναι πολύ χρήσιμες στη μικροκατεργασία του πυριτίου με laser. Τέλος, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα μιας πειραματικής προσπάθειας για την κατασκευή ενός επαγωγικού πλέγματος επαφών Schottky πάνω σε δισκίο πυριτίου. Σε αυτή την περίπτωση οι επιπλέον φορείς εγχέονται ηλεκτρικά μέσω των επαφών. Το ισοδύναμο κύκλωμα που κατασκευάστηκε οδηγεί σε αποτελέσματα που συμφωνούν αρκετά καλά με τα πειραματικά.