L’impiantazione

Per l’impiantazione ionica nel fosfuro d’indio vengono comunemente utilizzati elementi dei gruppi II, IV e VI.

I donatori più usati sono il Si (IV gruppo), che si sostituisce all’In, e S e Se (VI gruppo), che si sostituiscono al P Per gli accettori invece, come già detto, non esistono specie che si sostituiscano al P; pertanto tutte le specie droganti sono del II gruppo: Be, Mg, Zn, Cd e Hg. Esiste inoltre la possibilità di impiantare con atomi di Fe,onde ottenere uno strato di materiale ad elevata resistività.

 Le origini del laser annealing

L’utilizzo di impulsi laser per ottenere l’annealing di cristalli di semiconduttore impiantato è già stato riportato in passato; Un singolo impulso di un laser a rubino permetteva la ricristallizzazione e l’attivazione elettrica di ioni  e  impiantati in Si e GaAs, con il raggiungimento di temperature superficiali di molto inferiori a quelle necessarie per ottenere l’annealing termico.

Analoghi effetti erano ottenuti su Si e Ge impiantati con diversi ioni e sottoposti a impulsi laser Nd-YAG; le caratteristiche elettriche erano simili a quelle dei campioni trattati con l’annealing termico.

Densità di potenza dell’ordine di 50-70MW/cm2 (laser annealing ad alta potenza) esono necessarie per ottenere su silicio la ricristallizzazione di uno strato di circa 1000 Ả, reso amorfo dall’impiantazione, sfruttando però la fusione dello strato in questione.
Va notato che non è nemmeno pensabile sfruttare la fusione per ricostruire il cristallo nel caso di semiconduttore composto come GaAs o InP; in questo caso, infatti, oltre alla sublimazione del componente più volatile che già avviene al di sopra della temperatura critica, si avrebbe la completa dissociazione del composto in corrispondenza della fusione.

         Il laser annealing a bassa potenza (LPPLA)

E’ stata trovata tuttavia la possibilità di ottenere la ricostruzione dell’ordine cristallino senza passare attraverso la fusione del materiale, con impulsi di potenza di un ordine di grandezza inferiore [86Vcr]; si tratta della tecnica denominata LPPLA (Low-Power Pulsed-Laser Annealing). In questo procedimento la temperatura del materiale viene mantenuta decisamente al di sotto della soglia di fusione; la ricostruzione del cristallo non è dovuta al semplice aumento di temperatura ma alla presenza di isole cristalline, sopravvissute all’impiantazione, che agiscono come seme per il riordinamento strutturale.

Questo, tuttavia, a volte pone un limite superiore alla dose di impiantazione in corrispondenza della quale la tecnica LPPLA è efficace; al di sopra di tale dose massima infatti si ha la completa amorfizzazione del materiale e viene a mancare il seme della ricrescita anche se a volte si riescono a ricostruire anche strati completamente amorfi. Esperimenti su fosfuro d’indio impiantato con ioni zinco hanno dimostrato che questo limite è pari a .

L’applicazione della tecnica LPPLA a monocristalli di fosfuro d’indio in aria è stata riportata per la prima volta nel 1996 [96VRP].

Sono stati applicati 5 impulsi di potenza variabile a ogni campione e confrontate le diffrazioni RHEED e i risultati delle misure elettriche; è stato riconosciuto il grosso limite posto all’efficacia della tecnica dall’ossido superficiale che, formandosi durante i primi impulsi, assorbe gran parte della radiazione laser, rendendo pressoché inutile ogni impulso ulteriore.

Il passo successivo è stato perciò quello di realizzare il processo di annealing in atmosfera controllata [97PZV], prevenendo quindi la presenza di ossigeno nella camera e rendendo trascurabile il fenomeno dell’ossidazione superficiale.

L’annealing in atmosfera controllata ha permesso di irradiare ciascun campione con un numero superiore di impulsi (fino a 20), aumentando notevolmente l’efficacia della tecnica. E’ stato possibile individuare la finestra di densità di potenza all’interno della quale avviene la ricostruzione del cristallo; si tratta di potenze comprese tra 5,5 e 7 MW/cm2, con i risultati migliori a 6,5 MW/cm2.

L’ottima ricostruzione del cristallo è stata verificata tramite analisi RHEED e RBS, e la riattivazione elettrica confermata da misure di resistività e mobilità dei portatori.