脉冲激光辐照半导体表面的热效应分析

摘要

激光与材料相互作用会使材料升温，发生热扩散、热膨胀和产生热应力，从而导致物质的状态、结构发生改变。我们可以利用这一点进行激光加工和热处理。材料吸收激光能量的多少除了与材料本身的性质有关，还和激光参数的变化密切相关。本文用mathematica语言编程，以热传导方程为基础，数值模拟了长脉冲和超短脉冲激光辐照下半导体表面的温度分布。着重讨论了不同激光脉冲参数的变化对半导体材料在脉冲激光辐照下产生的热效应的影响。主要内容如下： 1、以一维热传导方程为计算模型，采用有限差分法数值模拟了GaAs表面温度场的分布。讨论了激光波长、光束半径、激光束光强分布、激光能量、辐照时间等激光脉冲参数的影响。总结分析了脉冲激光作用于半导体的破坏机理。 2、以半导体载流子速率方程和双温方程为物理模型，采用隐式有限差分法对其进行数值求解，数值模拟了半导体在飞秒激光辐照下的温升。主要考虑了激光波长、脉冲间隔、脉冲能量和脉宽不同激光参数对温升的影响。 研究表明，激光脉冲的功率密度直接影响材料表面单位面积吸收激光能量的多少，从而影响材料温升大小；激光脉宽对功率密度影响较大，因而对材料的温升影响较大；材料的吸收系数与入射光波长密切相关，因此激光波长也会对材料的温升产生较大影响。在飞秒激光作用时由于能量是在极短的时间注入，因此材料的温升受脉冲形状的影响较小。

目录

文摘

英文文摘

声明

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激光辐照半导体材料的理论基础

2.1半导体的光吸收

2.1.1导体、半导体、绝缘体的能带

2.1.2半导体的光吸收机理

2.2激光作用固体材料的热源模型

2.2.1热传导方程和基本热物理参数

2.2.2激作用固体材料的热源模型

2.3超短脉冲激光对半导体及其器材的破坏机理分析

2.3.1超短脉冲的发展

2.3.2超短脉冲激光破坏机理

2.4超短激光脉冲烧蚀特性及计算模型

2.4.1飞秒激光烧蚀特性

2.4.2飞秒激光参数对加工的影响

3长脉冲激光辐照GaAs表面的热效应分析

3.1长脉冲激光辐照半导体材料的热传导模型

3.2激光脉冲参量对温升的影响

3.2.1激光束光强分布的影响

3.2.2激光脉宽的影响

3.2.3激光束光斑半径的影响

3.3小结

4飞秒脉冲激光烧蚀Si表面的热效应分析

4.1超短脉冲激光烧蚀半导体的物理模型

4.2速率方程及双温方程的数值计算

4.3计算结果与讨论

4.4小结

5总结

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文目录

致谢