脈沖強激光輻照半導體材料損傷效應的解析研究

河北普興電子科技股份有限公司 聶永爍 王 剛

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脈沖強激光輻照半導體材料損傷效應的解析研究

河北普興電子科技股份有限公司 聶永爍 王 剛

【摘要】本文應用一維熱傳導、載流子耦合擴散等方程，對半導體材料在受到脈沖強激光輻照時的熱輸運及自由載流子輸運等過程展開研究，并分析了激光對半導體材料熱學、力學、光電探測器擊穿等損傷的機制，以期為半導體材料的抗輻射加固技術提供科學、可靠的理論支持。

【關鍵詞】半導體材料；脈沖強激光；損傷效應

0 引言

半導體材料與脈沖強激光之間的相互作用指的是當光學材料及探測器受到強激光束的輻照時，目標材料的表面及內部發生的光學、熱學、力學，以及周圍氣體、各種變化物質對入射激光束的吸收及傳輸特性產生的反作用等一系列的物理及化學效應。其中，半導體材料是否受到損傷除了由材料的定壓比熱、熱擴散系數以及對激光吸收系數等特征參數決定外，還受到所采用的激光的波長、脈寬、功率密度等參數的影響。近年來，隨著科技的發展，對脈沖強激光輻照半導體材料而產生的破壞效應，已成為激光加工、防護，以及激光武器等技術中的一項重要課題。

1 物理機制研究

1.1 數學描述

當半導體材料受到一束連續波激光的輻照時，靶材便會將激光束的能量迅速吸收，進而被加熱，并在自身表面的附近形成分布不均勻的瞬時溫度場。經分析，此過程與靶材自身的能帶結構，熱學及光學等性質有著非常緊密的聯系，并且在加熱過程中，自由載流子的復合、輸運等過程也起到了非常重要的作用［1］。

經分析，靶材中的溫度場方程為：

載流子密度耦合擴散方程為：

激光能量輸運方程為：

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是指材料熱擴散系數，c指材料的定壓比熱，K為熱傳導率，g指的是過剩載流子的生成速率，Q指單位體積內熱產生的速率，D指的是載流子偶極擴散的系數，τB指體載流子的復合壽命，n與ni分別指的是自由載流子與本征載流子的數密度，I與I0是指靶材的激光以及初始激光的強度，T 與T0指靶材內及環境的溫度。

1.2 半導體材料吸收激光的機制分析

對于激光能量，半導體材料具有非常強的吸收作用，其吸收系數的數量級高達105/cm。由于半導體具有的光學性質，因而其吸收光子的機制主要包括晶格、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。而針對波段在0.1μm至1.0μm的激光，右晶格振動激發而引起的吸收是很小的，因而我們可將此種吸收機制產生的影響忽略不計。

電子吸收主要包括帶間、雜質-帶間以及自由載流子等的躍遷。對于普通半導體材料而言，當入射的光子的頻率比較低時，就無法將帶間躍遷順利引起，依舊會存在吸收的情況，同時，隨著波長的增大，其強度也會不斷增加。究其原因，主要是價帶中的空穴或導帶中的電子將光子吸收后，朝帶內高能態分別躍遷而導致的。經分析，自由載流子的吸收系數公式為：

αfc= ni（T）σfc（T）

其中，αfc指的是自由載流子微觀吸收的截面，ni則是指其吸收的數密度。

激子吸收指的是介質在將一個光子吸收后而產生的一對空穴及電子，但是，空穴及電子的能量如果無法支持相互處于自由、獨立的狀態，此系統便會成為激子。在激子中，其空穴及電子都可以對光能進行吸收，從而朝著電離態或高激發態進行躍遷。此外，激子有著非常小的電離，要想觀察到激子現象，需處于溫度非常低的環境中；但在室溫條件下，激子的吸收機制并不是半導體材料吸收的主要機制，因而可將此種吸收機制產生的影響忽略。

2 損傷效應研究

上述對半導體材料受到激光輻照的物理模型及其吸收機理展開了探究。通過分析研究可知，靶材在激光的輻照下，不僅溫度會發生升高，載流子的數密度也會增加，進而導致熱學、電學、力學以及擊穿等損傷的產生［3］。

2.1 熱學損傷研究

從本質上展開分析，激光主要是由半導體材料中的聲子及電子吸收的。由于具體樣品中存在位錯、雜質等分布及濃度的隨機性格，會使得吸收激光存在一定的隨機以及局限性。此外，激光的吸收還與半導體材料的結構、生產工藝以及溫濕度等實驗條件存在一定的聯系從而導致激光的吸收系統存在不穩定性。

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，使得晶格的溫度發生上升。晶體與電子在非平衡階段，其溫度可能不同，待達到平衡階段后，便會存在統一的一個溫度，此時與原溫度之間的差距成為溫升。當半導體材料內部的溫度到達自身破壞的閾值時，就會出現損傷。

以溫度場的方程式，也即①式為依據，可模擬各思科材料內部溫度場的分布情況。可應用數值模擬方法，來計算出Nd∶YAG脈沖強激光輻照下，材料樣品內部溫度場的分布情況。

2.2 力學損傷研究

半導體材料在脈沖強激光的輻照下，其表面附近會出現熱應力，進而對表面產生程度不同的損傷。假設靶材的厚度為L，其表面熱應力的計算公式則為：

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

2.3 光電探測器擊穿損傷的研究

當光電探測器的表面受到脈沖強激光輻照時，半導體中的自由

載流子便會吸收光能，此外，也可伴隨本征進行吸收，進而形成等離子體。在半導體材料與激光束的相互作用過程中，等離子體發揮著能量漏斗的作用，并將吸收的光能通過晶格相互作用，不斷轉化為晶格熱能，促進了熱激發的增加，進一步增加了自由載流子的濃度，當濃度達到1018/cm3時，半導體材料的透明度就會大大降低，倘若此時的激光輻照度超過電子崩實際所需，那么就會對材料迅速造成損傷，此種現象即為光學擊穿，并產生爆轟效應，進而將沖量耦合進材料體內，使之成為機械能。

3 結語

綜上所述，脈沖強激光輻照半導體材料存在比較復雜的物理機制，通過開展解析計算，可為物理規律的發現提供幫助，并建立起明晰的物理圖像。本文就半導體材料受到激光輻照的物理機制及損傷機理展開探究，并模擬了半導體材料的瞬時溫度場等，為半導體材料的輻射效應和抗輻射加固技術提供了科學的數據支持。

參考文獻

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

［2］段曉峰，牛燕雄，張雛.半導體材料的激光輻照效應計算和損傷閾值分析［J］.光學學報，2014，24（08）﹕1057-1060.

［3］馮津京，閻吉祥.激光對半導體材料損傷的機理研究［J］.光學技術，2012，22（05）﹕643-645.