河北普興電子科技股份有限公司 聶永爍 王 剛

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脈沖強(qiáng)激光輻照半導(dǎo)體材料損傷效應(yīng)的解析研究

河北普興電子科技股份有限公司 聶永爍 王 剛

【摘要】本文應(yīng)用一維熱傳導(dǎo)、載流子耦合擴(kuò)散等方程，對(duì)半導(dǎo)體材料在受到脈沖強(qiáng)激光輻照時(shí)的熱輸運(yùn)及自由載流子輸運(yùn)等過(guò)程展開(kāi)研究，并分析了激光對(duì)半導(dǎo)體材料熱學(xué)、力學(xué)、光電探測(cè)器擊穿等損傷的機(jī)制，以期為半導(dǎo)體材料的抗輻射加固技術(shù)提供科學(xué)、可靠的理論支持。

【關(guān)鍵詞】半導(dǎo)體材料；脈沖強(qiáng)激光；損傷效應(yīng)

0 引言

半導(dǎo)體材料與脈沖強(qiáng)激光之間的相互作用指的是當(dāng)光學(xué)材料及探測(cè)器受到強(qiáng)激光束的輻照時(shí)，目標(biāo)材料的表面及內(nèi)部發(fā)生的光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)，以及周圍氣體、各種變化物質(zhì)對(duì)入射激光束的吸收及傳輸特性產(chǎn)生的反作用等一系列的物理及化學(xué)效應(yīng)。其中，半導(dǎo)體材料是否受到損傷除了由材料的定壓比熱、熱擴(kuò)散系數(shù)以及對(duì)激光吸收系數(shù)等特征參數(shù)決定外，還受到所采用的激光的波長(zhǎng)、脈寬、功率密度等參數(shù)的影響。近年來(lái)，隨著科技的發(fā)展，對(duì)脈沖強(qiáng)激光輻照半導(dǎo)體材料而產(chǎn)生的破壞效應(yīng)，已成為激光加工、防護(hù)，以及激光武器等技術(shù)中的一項(xiàng)重要課題。

1 物理機(jī)制研究

1.1 數(shù)學(xué)描述

當(dāng)半導(dǎo)體材料受到一束連續(xù)波激光的輻照時(shí)，靶材便會(huì)將激光束的能量迅速吸收，進(jìn)而被加熱，并在自身表面的附近形成分布不均勻的瞬時(shí)溫度場(chǎng)。經(jīng)分析，此過(guò)程與靶材自身的能帶結(jié)構(gòu)，熱學(xué)及光學(xué)等性質(zhì)有著非常緊密的聯(lián)系，并且在加熱過(guò)程中，自由載流子的復(fù)合、輸運(yùn)等過(guò)程也起到了非常重要的作用［1］。

經(jīng)分析，靶材中的溫度場(chǎng)方程為：

載流子密度耦合擴(kuò)散方程為：

激光能量輸運(yùn)方程為：

其中，初始條件與邊界條件分如下：

在上述公式中，ρ指的是材料密度，κ是指材料熱擴(kuò)散系數(shù)，c指材料的定壓比熱，K為熱傳導(dǎo)率，g指的是過(guò)剩載流子的生成速率，Q指單位體積內(nèi)熱產(chǎn)生的速率，D指的是載流子偶極擴(kuò)散的系數(shù)，τB指體載流子的復(fù)合壽命，n與ni分別指的是自由載流子與本征載流子的數(shù)密度，I與I0是指靶材的激光以及初始激光的強(qiáng)度，T 與T0指靶材內(nèi)及環(huán)境的溫度。

1.2 半導(dǎo)體材料吸收激光的機(jī)制分析

對(duì)于激光能量，半導(dǎo)體材料具有非常強(qiáng)的吸收作用，其吸收系數(shù)的數(shù)量級(jí)高達(dá)105/cm。由于半導(dǎo)體具有的光學(xué)性質(zhì)，因而其吸收光子的機(jī)制主要包括晶格、電子、激子以及雙光子等的吸收［2］。

晶格吸收一般發(fā)生在紅外波段，主要包括單聲子與多聲子的吸收，以及二者的散射。而針對(duì)波段在0.1μm至1.0μm的激光，右晶格振動(dòng)激發(fā)而引起的吸收是很小的，因而我們可將此種吸收機(jī)制產(chǎn)生的影響忽略不計(jì)。

電子吸收主要包括帶間、雜質(zhì)-帶間以及自由載流子等的躍遷。對(duì)于普通半導(dǎo)體材料而言，當(dāng)入射的光子的頻率比較低時(shí)，就無(wú)法將帶間躍遷順利引起，依舊會(huì)存在吸收的情況，同時(shí)，隨著波長(zhǎng)的增大，其強(qiáng)度也會(huì)不斷增加。究其原因，主要是價(jià)帶中的空穴或?qū)е械碾娮訉⒐庾游蘸螅瘞?nèi)高能態(tài)分別躍遷而導(dǎo)致的。經(jīng)分析，自由載流子的吸收系數(shù)公式為：

αfc= ni（T）σfc（T）

其中，αfc指的是自由載流子微觀吸收的截面，ni則是指其吸收的數(shù)密度。

激子吸收指的是介質(zhì)在將一個(gè)光子吸收后而產(chǎn)生的一對(duì)空穴及電子，但是，空穴及電子的能量如果無(wú)法支持相互處于自由、獨(dú)立的狀態(tài)，此系統(tǒng)便會(huì)成為激子。在激子中，其空穴及電子都可以對(duì)光能進(jìn)行吸收，從而朝著電離態(tài)或高激發(fā)態(tài)進(jìn)行躍遷。此外，激子有著非常小的電離，要想觀察到激子現(xiàn)象，需處于溫度非常低的環(huán)境中；但在室溫條件下，激子的吸收機(jī)制并不是半導(dǎo)體材料吸收的主要機(jī)制，因而可將此種吸收機(jī)制產(chǎn)生的影響忽略。

2 損傷效應(yīng)研究

上述對(duì)半導(dǎo)體材料受到激光輻照的物理模型及其吸收機(jī)理展開(kāi)了探究。通過(guò)分析研究可知，靶材在激光的輻照下，不僅溫度會(huì)發(fā)生升高，載流子的數(shù)密度也會(huì)增加，進(jìn)而導(dǎo)致熱學(xué)、電學(xué)、力學(xué)以及擊穿等損傷的產(chǎn)生［3］。

2.1 熱學(xué)損傷研究

從本質(zhì)上展開(kāi)分析，激光主要是由半導(dǎo)體材料中的聲子及電子吸收的。由于具體樣品中存在位錯(cuò)、雜質(zhì)等分布及濃度的隨機(jī)性格，會(huì)使得吸收激光存在一定的隨機(jī)以及局限性。此外，激光的吸收還與半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝以及溫濕度等實(shí)驗(yàn)條件存在一定的聯(lián)系從而導(dǎo)致激光的吸收系統(tǒng)存在不穩(wěn)定性。

具體分析，材料溫度升高的原因主要是吸收了光能，這些光能分別變成了電子能與聲子能，晶格與電子，以及聲子與聲子之間碰撞，使得晶格的溫度發(fā)生上升。晶體與電子在非平衡階段，其溫度可能不同，待達(dá)到平衡階段后，便會(huì)存在統(tǒng)一的一個(gè)溫度，此時(shí)與原溫度之間的差距成為溫升。當(dāng)半導(dǎo)體材料內(nèi)部的溫度到達(dá)自身破壞的閾值時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)損傷。

以溫度場(chǎng)的方程式，也即①式為依據(jù)，可模擬各思科材料內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布情況?？蓱?yīng)用數(shù)值模擬方法，來(lái)計(jì)算出Nd∶YAG脈沖強(qiáng)激光輻照下，材料樣品內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布情況。

2.2 力學(xué)損傷研究

半導(dǎo)體材料在脈沖強(qiáng)激光的輻照下，其表面附近會(huì)出現(xiàn)熱應(yīng)力，進(jìn)而對(duì)表面產(chǎn)生程度不同的損傷。假設(shè)靶材的厚度為L(zhǎng)，其表面熱應(yīng)力的計(jì)算公式則為：

其中，αT指的是材料的熱膨脹系數(shù)，Y指的是楊氏模量，而v則是指泊松比。對(duì)于足夠厚的半導(dǎo)體材料，其表面的熱應(yīng)力公式如下：

2.3 光電探測(cè)器擊穿損傷的研究

當(dāng)光電探測(cè)器的表面受到脈沖強(qiáng)激光輻照時(shí)，半導(dǎo)體中的自由

載流子便會(huì)吸收光能，此外，也可伴隨本征進(jìn)行吸收，進(jìn)而形成等離子體。在半導(dǎo)體材料與激光束的相互作用過(guò)程中，等離子體發(fā)揮著能量漏斗的作用，并將吸收的光能通過(guò)晶格相互作用，不斷轉(zhuǎn)化為晶格熱能，促進(jìn)了熱激發(fā)的增加，進(jìn)一步增加了自由載流子的濃度，當(dāng)濃度達(dá)到1018/cm3時(shí)，半導(dǎo)體材料的透明度就會(huì)大大降低，倘若此時(shí)的激光輻照度超過(guò)電子崩實(shí)際所需，那么就會(huì)對(duì)材料迅速造成損傷，此種現(xiàn)象即為光學(xué)擊穿，并產(chǎn)生爆轟效應(yīng)，進(jìn)而將沖量耦合進(jìn)材料體內(nèi)，使之成為機(jī)械能。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，脈沖強(qiáng)激光輻照半導(dǎo)體材料存在比較復(fù)雜的物理機(jī)制，通過(guò)開(kāi)展解析計(jì)算，可為物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)提供幫助，并建立起明晰的物理圖像。本文就半導(dǎo)體材料受到激光輻照的物理機(jī)制及損傷機(jī)理展開(kāi)探究，并模擬了半導(dǎo)體材料的瞬時(shí)溫度場(chǎng)等，為半導(dǎo)體材料的輻射效應(yīng)和抗輻射加固技術(shù)提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)支持。

參考文獻(xiàn)

［1］強(qiáng)希文，劉峰，張建泉.脈沖強(qiáng)激光輻照半導(dǎo)體材料損傷效應(yīng)的解析研究［J］.光電子技術(shù)，2010，20（01）﹕52-58.

［2］段曉峰，牛燕雄，張雛.半導(dǎo)體材料的激光輻照效應(yīng)計(jì)算和損傷閾值分析［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2014，24（08）﹕1057-1060.

［3］馮津京，閻吉祥.激光對(duì)半導(dǎo)體材料損傷的機(jī)理研究［J］.光學(xué)技術(shù)，2012，22（05）﹕643-645.