脈沖強激光輻照半導(dǎo)體材料損傷效應(yīng)的解析研究

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1、萬方數(shù)據(jù)第20卷蕈1簸2000年3月競電子技表OPTOg!．ECTRONlCTECHNOI。OGY脈沖強激光輻照半導(dǎo)體材料損傷效應(yīng)的解析研究強希文剜蜂張建泉(西北核技術(shù)研究所，西安．710024)1999年9月6日收到V01．20No．1Maf．2000摘要輯囊了強鼗競輻燕串導(dǎo)體麓辯InSb薅魏熱箍運、騫蜜載流予耱遣孝光子輸運過程，鐮討了激光對半導(dǎo)體材料薛攘傍機理。為半導(dǎo)體材料曲輻射效瘟和抗輻射加固技術(shù)提供7一個理論證據(jù)。關(guān)建詞強激光半導(dǎo)體材料輻照效成損傷機理引言當(dāng)一束脈沖激光輻照半導(dǎo)體材料甜，由于靶材吸收激光的能攝而被加熱，導(dǎo)致一個在靶耪蠹努棗囂不坶勻粒瀑凄場，姨兩嬡拳導(dǎo)律耪辯的光

2、學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)控覆發(fā)生顯著變純。當(dāng)激巍姥率達(dá)一定毽藏輻照時間足夠妖畦，靶材蘸會盎蕊走學(xué)擊穿、熬應(yīng)力玻蔣秘熔融破囂。一般說來，光學(xué)擊穿和熱應(yīng)力破壞闡值較低，所以，熔融破壞閾值威當(dāng)是破壞閱使的上限。一旦出現(xiàn)熔融破壞，便套使得探測器皴盲。造成永久性破壞。因此，研究連續(xù)波激光輻照探測器材辯產(chǎn)生的各種破螺毅應(yīng)，就成為激光武器、激光加工和激光防護(hù)及如固技術(shù)中的重要課題。l。ax．MEl．z3在考慮熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度變化的條件下，用解析方法研究了半導(dǎo)體硅的穩(wěn)態(tài)遇火熱輸運過程。Meyer口1“研究r短脈沖激光輔照下，半導(dǎo)體材料的表面效應(yīng)。Yoffa““。較為系統(tǒng)地研究了半導(dǎo)體硅加熱道程，指出載流予擴散

3、在能量輸運中具有薰囂的作用。Kim””臻究了強激光輻照半導(dǎo)淬醚攘熬過程孛，菲線牲熱羲運中載流子酌擴散效疵。李彥文等踟在Meyer模獺的基礎(chǔ)上，忽略載流子效應(yīng)，掰數(shù)值{于算方法給出InSb耪瓣的熔純閩值與激光波長的定標(biāo)關(guān)系。蔣志平辭-?研究了激光輻照InSb探測器的溫升過程，然而沒有考慮樹料光學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)的溫度關(guān)系及熱輸運的非線性效應(yīng)。本文在戳蘸磅究的基礎(chǔ)上，求瓣了半導(dǎo)體在激光輻照下溫度幫過剩載流子密度鼬耦臺強希文男．f9fi7顰生，四川大學(xué)畢業(yè)，學(xué)士，助理研究鼎。主要從事激光芍犍質(zhì)幅互作用方瓣的理論研究工作t在國內(nèi)外各種梭心期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文共計20余篇。劉峰男．1962年生，碩士，副

4、研究員。主要從事激光與物質(zhì)相互作用的理論研究工作。衣豳內(nèi)外刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇．髓部委緩科技進(jìn)步夔4項。強贛袋霧，1942軍生，聚囊費。先蠢蕊事輻射鎊理，泵浚梅理幫熬競耪壤等撩城的理論騷究王搏。在國內(nèi)拜公評發(fā)表學(xué)術(shù)滄文二十采籍，獲國家襄然辯掌三等箋?矮，部委緩程技進(jìn)步冀lj項。萬方數(shù)據(jù)第】鶿強希文等：脈沖強激光輻弱警尊捧榜3l唾損傷教藏的解析研究擴散方程，給出了材料內(nèi)溫度和載流子密度的瞬悉分布。計算中考慮了材料的光學(xué)、熱學(xué)性能隨瀑度和載漉子密度的變化，以及裁漉子轅運的囂線性效應(yīng)和擴散復(fù)合對加熱趲程的影響。硝時，騷究了激嫩輳照瑟InSb糖瓣的絡(luò)詫酸囂、藏力菝囂秘瞧學(xué)撰揍，2物理機制

5、2。l數(shù)學(xué)描述搿一束連續(xù)波激光輻照半導(dǎo)體材料時，靶材由于吸收激光的熊擻而被加熱，這個過程與材料的光學(xué)、熱學(xué)性艨及能帶結(jié)構(gòu)游街切相關(guān)，另外，自由載流予的輸運和復(fù)合過程也與加熱避瑕密拯相美。戴鬟雩，靶耪中豹激搬髓量轄運方程、灄度及載藏予密壤囂耦臺擴散方程如下溯：警=扛m∽面aT]+纛‰(1)謇一耋[D(”，r)妻]+g(”，T，z∞一生≯(2)詈=～al(3)初婚及邊界條件為：一T(z}Y，2，z—o)掣To，Hh，Y，2，t一0)一”。(To)詈L。一耋L。一恐吣牡(，～R)to其中p，c，E(一K／m)分別為材料的密度、比熱和熱擴散系數(shù)，K是熱傳導(dǎo)率；n和m分別為自由裁流子數(shù)密度芹廿

6、率征載流子數(shù)密度{Q為單位體積中熱產(chǎn)生逋率；譬為過剩載流子生成速攀；婦為載流子鵜擻擴教系數(shù)；丁鞍丁。努捌為靶蠹濕度和環(huán)境魏魔；矗秘j分別為韌始激光強度和靶耪串靜激光強度；a莘鬟R分掰務(wù)蓑稀啜波系數(shù)窩表西反瓣系數(shù)}r。菇俸載漉子復(fù)合靜命。2．2激光曲瑕收機捌考慮半導(dǎo)俸赫斃學(xué)性質(zhì)，半導(dǎo)侮犍辯孛導(dǎo)致巍子綴寢和發(fā)藩妻饕番弼下撬裁：固帶闊躍遷

7、②雜質(zhì)一帶問躍迂；③自由載流子躍遷(帶內(nèi)躍迸)；④聲子躍遷{⑤激子躍遷。由于我們在此考慮的材料為本征半導(dǎo)體，且激光渡長較小不致激發(fā)材料晶格的聲子，另外考慮到墩子聞的麾侖作薅較弱，所以忽略聲子和激子的吸收以及雜質(zhì)一帶間吸收。所考慮的激光吸收機翻楚帶闥蔽收纛

8、帶癱稷數(shù)，鄂暇牧撬{(lán)鲞孽鴦塞壺載流子暇收、摹寵子搬致電離疆彀弱教兜子先致電離吸收，n；％十Ot，十n：，當(dāng)光予能量大于帶隙能時，帶闖吸收主簧是單光子巍致電離暖收。萁中自由載流予暇收系數(shù)為；‰=月，(丁)％(r)(4)上式孛，靠窩m努剮勢塞鑫載瘋子檄纛嚷收截囂穰數(shù)爨凌。lnSb樹輯與溫囊輻美轉(zhuǎn)叁鑫載流予數(shù)密度和徽蕊暇收截面分嬲為：萬方數(shù)據(jù)光電于技術(shù)第曲卷n．(丁)一2．99×10”(了’／丁。)1～exp(一4．98丁。／T)cm3(5)臥一7．83×10。