激光与半导体材料相互作用的热效应分析

论文摘要

激光与半导体材料相互作用的热效应是激光束入射于半导体材料后发生的主要物理现象之一。激光加热使半导体材料升温,发生热扩散、热膨胀和热应变,并可能使半导体材料发生烧蚀。如果辐照半导体材料的激光能量足够强,材料表面层局部区域会发生熔融和气化,导致半导体材料将可能改变或者失去原有功能。所以研究激光辐照半导体材料的热效应是激光加工、热处理等技术和激光热破坏的物理基础。对于一些典型的激光加热问题,可建立起激光作用固体材料的热源模型,并在一定的假设和边界条件下得到温度场分布情况。解析解只适合于较简单的情况,结果也是近似的。数值分析具有非常好的灵活性和处理复杂问题的能力,对烧蚀过程的物理模型合理,往往可以得到较好的结果。本文对超短脉冲激光和长脉冲激光辐照下半导体材料及其器件的烧蚀过程进行了研究。主要内容包括:1、从热传导方程出发,采用隐式差分法,研究了长脉冲激光辐照几种典型的半导体材料的空间-时间温度场分布,分析了入射激光功率密度、激光脉冲宽度、半导体材料厚度对半导体材料的温升的影响。2、从双温模型出发,用有限差分法对双温方程进行数值求解,给出了超短脉冲烧蚀半导体的温度场空间分布,研究了超短激光的破坏阈值,分析了不同激光脉冲宽度对破坏阈值的影响。结果表明载流子与晶格的温度耦合时间和金属耦合时间大致相同,并分析了不同激光脉宽,不同激光功率密度对半导体表面温升的影响,发现激光功率密度是影响载流子温升的主要因素。3、从双温方程和载流子浓度变化的速率方程出发,采用有限差分法对载流子输运动力学模型及双温方程进行了研究分析。研究了超短脉冲辐照下光导型探测器的温度空间分布和载流子空间分布,并分析了光导型探测器的温升与入射激光功率密度、辐照时间的关系。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本论文的主要内容和安排
• 2 激光与物质相互作用的基础理论
• 2.1 长脉冲激光作用半导体材料的热效应解析模型介绍
• 2.1.1 热传导方程和基本热物理参数
• 2.1.2 长脉冲激光辐照半导体材料的热模型
• 2.1.2.1 长脉冲激光辐照半无限大固体模型
• 2.1.2.2 长脉冲激光加热有限厚薄板的热源模型
• 2.2 超短激光对半导体及其器件的破坏机理分析
• 2.2.1 飞秒激光简介
• 2.2.2 超短激光破坏机理
• 2.2.2.1 能量吸收和热效应
• 2.2.2.2 表面汽化
• 2.2.2.3 微结构的改变
• 2.2.2.4 力学破坏
• 2.2.2.5 非线性过程
• 2.2.3 超短激光脉冲辐照下半导体材料的破坏计算模型及其分析
• 2.2.3.1 速率方程模型
• 2.2.3.2 双温模型
• 2.2.3.3 分子动力学模拟
• 2.2.3.4 热电子爆炸模型
• 2.2.3.5 热弹性变形模型
• 3 长脉冲激光辐照半导体材料热效应分析
• 3.1 余弦高斯光束辐照下光学元件热效应分析
• 3.1.1 余弦高斯光束与光学元件的物理模型
• 3.1.2 数值计算与讨论
• 3.1.3 小结
• 3.2 半导体材料的热传导数值计算模型
• 3.2.1 半导体材料的热传导差分模型
• 3.2.2 计算结果与分析
• 3.2.3 小结
• 4 超短脉冲激光烧蚀半导体的热效应分析
• 4.1 超短脉冲激光烧蚀半导体的物理模型
• 4.1.1 双温方程的数值计算
• 4.1.2 计算结果与讨论
• 4.1.3 小 结
• 4.2 重复脉冲超短激光辐照下半导体材料的热效应分析
• 4.2.1 单脉冲超短激光激辐照下半导体材料的情形
• 4.2.2 多脉冲超短激光激辐照下半导体材料的情形
• 4.2.3 小结
• 4.3 飞秒、皮秒、纳秒脉冲激光辐照下半导体材料的热效应分析
• 4.3.1 计算结果与讨论
• 4.3.2 小 结
• 5 超短脉冲激光辐照光电探测器热效应分析
• 5.1 光电探测器的基本类型和工作原理
• 5.1.1 光电导型光电探测器的工作原理
• 5.1.2 光伏型光电探测器的工作原理
• 5.2 超短激光辐照下光电导型光电探测器的瞬变过程
• 5.2.1 超短激光与光电导型光电探测器相互作用的物理模型
• 5.2.2 计算结果与分析
• 5.2.3 小结
• 6 总结
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文目录
• 致谢