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硅在脉冲激光作用下温度积累效应的数值模拟

第16卷第1期太赫兹科学与电子信息学报Vo1.16，No.1 2018年2月 Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology Feb.，2018 文章编号：2095-4980(2018)01-0158-06

孙鹏1a,1b，李沫*1a,1b，杨庆鑫2，汤戈1a,1b，张健1a,1b

(1.中国工程物理研究院 a.微系统与太赫兹研究中心，四川成都 610200；b.电子工程研究所，四川绵阳 621999；

2.哈尔滨工业大学物理系，黑龙江哈尔滨 150000)

摘要：采用单温模型，利用有限元方法对硅在纳秒脉冲激光作用下的温度积累效应进行了数值模拟。给出了单脉冲、多脉冲作用下，硅表面附近的非平衡载流子浓度、自由载流子吸收系

数和晶格温度随时间的变化规律。结果表明，自由载流子浓度的积累是温度积累的主要来源。对

于多脉冲作用情况，脉冲间隔越短，脉宽越窄，温度积累效应越明显，最终形成的瞬时晶格最高

温和温升值越大，越容易对材料造成损伤。

关键词：激光脉冲；温度积累效应；晶格温度；重复频率；损伤阈值；脉宽

中图分类号：TN301.1；O436文献标志码：A doi：10.11805/TKYDA201801.0158

Numerical simulation of the accumulative photo-thermal effect in silicon under illumination with sequential laser pulses

SUN Peng1a,1b，LI Mo*1a,1b，YANG Qingxin2，TANG Ge1a,1b，ZHANG Jian1a,1b (1a.Microsystems & Terahertz Research Center，China Academy of Engineering Physics，Chengdu Sichuan 610200，China；

1b.Institute of Electronic Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang Sichuan 621999，China；

2.Department of Physics，Harbin Institute of Technology，Harbin Heilongjiang 150000，China)

Abstract：The single-temperature model and Finite Element Method(FEM) are employed for the numerical simulation of the accumulative photo-thermal effect in silicon under illumination with

sequential laser pulses. The time dependences of non-equilibrium carriers’ density, free carrier absorption,

and the lattice temperature under the interaction with one pulse, and multiple-pulse are studied, as well as

the optical damage threshold. The results show that the accumulation of free carrier concentration is the

main source of temperature accumulation. In the case of multiple-pulse, the shorter the pulse interval, and

the narrower the pulse width, the more easily the material can be damaged.

Keywords：laser pulse；accumulative photo-thermal effect；lattice temperature；repetition rate；

damage threshold；pulse width

在辐射效应研究领域，激光模拟技术在半导体器件剂量率辐射效应和单粒子效应的研究和加固设计中发挥了越来越重要的作用，得到了国内外科研界的认可和推广[1–4]。在激光与半导体材料、器件的相互作用中，温度效应是至关重要的物理问题之一[5]。准确地给出脉冲激光在半导体材料和器件中的温度场随空间、时间的变化规律，对研究激光与半导体材料相互作用过程，阐明激光模拟硅基半导体器件辐射效应精确度和适用范围等具有重要意义[6–7]。目前在温度效应方面，对带边附近(比如波长为1064 nm)的纳秒脉冲激光与硅相互作用的热致损伤机理仿真研究多集中在单脉冲或双脉冲作用情况[8–10]，而对高重复频率的多脉冲作用情况下的温度积累效应却少有系统报道。针对在激光模拟辐射效应技术中常用的1064 nm的纳秒脉冲激光，本文采用单温模型，利用有限元方法对硅在纳秒激光单脉冲和连续多脉冲作用下，硅表面附近的非平衡载流子浓度、自由载流子吸收系数和晶格温度随时间的变化规律进行了数值模拟，较为系统地研究了激光模拟半导体器件辐射效应中的温度积累效应的机理。

收稿日期：2017-05-25；修回日期：2017-09-14

基金项目：中国工程物理研究院院长基金资助项目(2014-1-100)

通信作者：李沫 email:limo@https://www.wendangku.net/doc/1717834778.html,