脉冲强激光辐照半导体材料损伤效应的解析研究

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1、万方数据第20卷蕈1簸2000年3月竞电子技表OPTOg!．ECTRONlCTECHNOI。OGY脉冲强激光辐照半导体材料损伤效应的解析研究强希文剜蜂张建泉(西北核技术研究所，西安．710024)1999年9月6日收到V01．20No．1Maf．2000摘要辑囊了强鼗竞辐燕串导体麓辩InSb薅魏热箍运、骞蜜载流予耱遣孝光子输运过程，镰讨了激光对半导体材料薛攘傍机理。为半导体材料曲辐射效瘟和抗辐射加固技术提供7一个理论证据。关建词强激光半导体材料辐照效成损伤机理引言当一束脉冲激光辐照半导体材料甜，由于靶材吸收激光的能摄而被加热，导致一个在靶耪蠹努枣嚣不坶匀粒瀑凄场，姨两嫒拳导律耪辩的光

2、学、热学和力学控覆发生显著变纯。当激巍姥率达一定毽藏辐照时间足够妖畦，靶材蘸会盎蕊走学击穿、熬应力玻蒋秘熔融破嚣。一般说来，光学击穿和热应力破坏阐值较低，所以，熔融破坏阈值威当是破坏阅使的上限。一旦出现熔融破坏，便套使得探测器皴盲。造成永久性破坏。因此，研究连续波激光辐照探测器材辩产生的各种破螺毅应，就成为激光武器、激光加工和激光防护及如固技术中的重要课题。l。ax．MEl．z3在考虑热传导系数随温度变化的条件下，用解析方法研究了半导体硅的稳态遇火热输运过程。Meyer口1“研究r短脉冲激光辅照下，半导体材料的表面效应。Yoffa““。较为系统地研究了半导体硅加热道程，指出载流予扩散

3、在能量输运中具有薰嚣的作用。Kim””臻究了强激光辐照半导淬醚攘熬过程孛，菲线牲热羲运中载流子酌扩散效疵。李彦文等踟在Meyer模獭的基础上，忽略载流子效应，掰数值{于算方法给出InSb耪瓣的熔纯闽值与激光波长的定标关系。蒋志平辞-⋯研究了激光辐照InSb探测器的温升过程，然而没有考虑树料光学、热学性质的温度关系及热输运的非线性效应。本文在戳蘸磅究的基础上，求瓣了半导体在激光辐照下温度帮过剩载流子密度鼬耦台强希文男．f9fi7颦生，四川大学毕业，学士，助理研究鼎。主要从事激光芍犍质幅互作用方瓣的理论研究工作t在国内外各种梭心期刊发表学术论文共计20余篇。刘峰男．1962年生，硕士，副

4、研究员。主要从事激光与物质相互作用的理论研究工作。衣豳内外刊物发表学术论文10余篇．髓部委缓科技进步夔4项。强赣袋雾，1942军生，聚囊费。先蠢蕊事辐射镑理，泵浚梅理帮熬竞耪壤等撩城的理论骚究王搏。在国内拜公评发表学术沧文二十采籍，获国家襄然辩掌三等笺⋯矮，部委缓程技进步冀lj项。万方数据第】鹚强希文等：脉冲强激光辐弱警尊捧榜3l唾损伤教藏的解析研究扩散方程，给出了材料内温度和载流子密度的瞬悉分布。计算中考虑了材料的光学、热学性能随瀑度和载漉子密度的变化，以及裁漉子辕运的嚣线性效应和扩散复合对加热趱程的影响。硝时，骚究了激嫩辏照瑟InSb糖瓣的络诧酸嚣、藏力菝嚣秘瞧学撰揍，2物理机制

5、2。l数学描述搿一束连续波激光辐照半导体材料时，靶材由于吸收激光的熊擞而被加热，这个过程与材料的光学、热学性艨及能带结构游街切相关，另外，自由载流予的输运和复合过程也与加热避瑕密拯相美。戴鬟雩，靶耪中豹激搬髓量辖运方程、滠度及载藏予密壤嚣耦台扩散方程如下溯：警=扛m∽面aT]+纛‰(1)謇一耋[D(”，r)妻]+g(”，T，z∞一生≯(2)詈=～al(3)初婚及边界条件为：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)分别为材料的密度、比热和热扩散系数，K是热传导率；n和m分别为自由裁流子数密度芹廿

6、率征载流子数密度{Q为单位体积中热产生逋率；譬为过剩载流子生成速攀；妇为载流子鹈擞扩教系数；丁鞍丁。努捌为靶蠹湿度和环境魏魔；矗秘j分别为韧始激光强度和靶耪串静激光强度；a莘鬟R分掰务蓑稀啜波系数窝表西反瓣系数}r。菇俸载漉子复合静命。2．2激光曲瑕收机捌考虑半导俸赫毙学性质，半导侮犍辩孛导致巍子缀寝和发藩妻饕番弼下撬裁：固带阔跃迁

7、②杂质一带问跃迂；③自由载流子跃迁(带内跃迸)；④声子跃迁{⑤激子跃迁。由于我们在此考虑的材料为本征半导体，且激光渡长较小不致激发材料晶格的声子，另外考虑到墩子闻的麾仑作薅较弱，所以忽略声子和激子的吸收以及杂质一带间吸收。所考虑的激光吸收机翻楚带闼蔽收纛

8、带瘫稷数，鄂暇牧撬{鲞孽鸯塞壶载流子暇收、摹宠子搬致电离疆彀弱教兜子先致电离吸收，n；％十Ot，十n：，当光予能量大于带隙能时，带闯吸收主簧是单光子巍致电离暖收。萁中自由载流予暇收系数为；‰=月，(丁)％(r)(4)上式孛，靠窝m努剐势塞鑫载疯子檄纛嚷收截嚣穰数爨凌。lnSb树辑与温囊辐美转叁鑫载流予数密度和徽蕊暇收截面分嬲为：万方数据光电于技术第曲卷n．(丁)一2．99×10”(了’／丁。)1～exp(一4．98丁。／T)cm3(5)卧一7．83×10。