Free Carrier Dynamics and Energy Transfer to the Si Lattice during Pico and Nanosecond Nd Laser Pulse Irradiation

Transmission experiments of Nd: YAG laser pulse of 25 ps and 30 ns duration through 100 μm thick silicon single crystal allow the determination of the free carrier absorption cross section, σFC = 5 × 10−18 cm2, and of the Auger decay constant, γ3 = 8 × 10−31 cm6 s−1. These two parameters are used in the numerical solution of a set of coupled differential equations which describe the space and time evolution of carrier concentration, carrier energy, and lattice temperature. A comparison with time resolved reflectivity data reported in literature, allows the determination of the energy relaxation time constant, τe ≈︁ 1 ps. The validity of the thermal model used to describe laser annealing in the nanosecond regime is also discussed and justified. Transmissionsuntersuchungen mit Nd: YAG‐Laserimpulsen von 25 ps und 30 ns Dauer an 100 μm dicken Silizium‐Einkristallen erlauben die Bestimmung des Absorptionsquerschnitts freier Träger σFC = 5 × 10−18 cm−2 und der Auger‐Abklingkonstante γ3 = 8 × 10−31 cm6 s−1. Diese beiden Parameter werden in der numerischen Lösung eines Satzes von gekoppelten Differentialgleichungen benutzt, die die räumliche und zeitliche Entwicklung der Ladungsträgerkonzentration, der Trägerenergie und der Gittertemperatur beschreiben. Ein Vergleich mit Werten des zeitaufgelösten Reflexionsvermögens aus der Literatur ermöglicht die Bestimmung der Energierelaxationszeitkonstante τe ≈︁ 1 ps. Die Gültigkeit des benutzten thermischen Modells zur Beschreibung der Laserausheilung im Nanosekundenbereich wird ebenfalls diskutiert und gerechtfertigt.