长脉冲激光与半导体材料的热作用的数值分析

摘要

本文就长脉冲激光对半导体材料热损伤过程进行了数值计算研究，得到了半导体材料熔融后的瞬态温度场和融化阈值等结果。 根据实际计算对象的特点，研究了网格大小和时间步长参数与有限元求解的稳定性关系，建立了优化的轴对称有限元模型。 根据经典热传导的基本原理，在假设半导体材料为各向同性且热学参数在熔融前后均为常数的基础上，数值计算了长脉冲激光辐照下硅和锗的瞬态温度场，得到硅和锗材料的熔融阈值。进而在入射激光光斑半径远大于材料热扩散长度的条件下，得到的长脉冲激光辐照下硅和锗的瞬态温度场。 利用热焓法处理固-液相变过程，模拟了脉宽为1 ms的长脉冲激光与半导体材料Si和Ge的热作用过程，到了不同能量激光辐照不同的靶材模型下，靶材前表面中心点温度历史和沿激光入射方向靶材的温度场分布情况，以及不同能量激光辐照下的靶材前、后表面的温度分布情况。 本文还对硅和锗的前后表面温度分布情况、沿激光入射方向温度分布情况，以及靶材中心温度历史和阈值进行了对比，分析了硅和锗阈值差别相差一个数量级的原因，以及对靶材温度中心历史变化进行了对比并分析了原因。 本文的研究结果可供激光对半导体材料热作用过程的研究参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2激光对物质的加热、熔融和气化作用的研究现状

1.2.1激光与材料相互作用研究现状

1.2.2脉冲激光与半导体材料相互作用的研究现状

1.3激光与物质相互作用过程数值模拟研究的特点和问题

1.4本文的工作介绍

2激光与物质相互作用的基础理论

2.1物质对激光的反射和吸收

2.1.1激光的吸收

2.1.2折射率和吸收系数

2.1.3半导体对光的吸收

2.2激光作用固体材料的热效应解析模型

2.2.1材料的热物理性质

2.2.2激光加热下物体的温度场

2.2.3激光加热问题的应用

2.3激光引起材料的熔化

2.3.1固—液态界面的移动速度

2.3.2液态迁移质量

2.4激光引起材料的气化和烧蚀

2.4.1激光气化的物理机制

2.4.2定态气化和质量迁移

本章总结

3有限元法在温度场分析中的应用

3.1建立有限元方程

3.2区域的剖分

3.3插值函数的确定

3.4单元总体合成

3.5瞬态温度场有限元的求解

3.6对于有相变有限元方程的求解

3.6.1固相率的提出

3.6.2相变导热微分方程式

3.6.3热焓法

本章小结

4长脉冲激光辐照半导体材料的研究

4.1热传导理论

4.2材料参数和激光参数

4.2.1材料阈值的计算

4.2.2激光与半无限大半导体材料相互作用的模拟

4.2.3激光与有限厚度的半导体材料相互作用的模拟

4.2.4激光与有限大材料相互作用

小结

本章总结

5总结

致谢

参考文献