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20000字硕士毕业论文半导体脉冲激光辐射热效应分析

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:20000字
论点:激光,脉冲,超短
论文概述:

激光与物质相互作用时,会产生光的反射、吸收和光电效应等现象,其热效应是激光辐照时的重要过程,也是激光破坏的主要原因之一,而且在激光加工、激光安全防护、激光制膜技术(PLD技术

论文正文:

己i.全.J 1 A研究背景    自1960年激光问世以来,激光技术就表现出了其强大的生命力,并被广泛应用于各个领域。发展到现在几乎渗透到自然科学的各个领域,并在在工业、医学、生物、军事等方面都有广泛应用。而激光与材料的相互作用一直是备受人们关注的问题【I-4]。激光与材料的相互作用,涉及激光物理、等离子体物理、固体与半导体物理、热力学、等广泛的学科领域[,正在形成高技术范畴内多学科相互渗透的一门新型学科。    激光与物质相互作用时,会产生光的反射、吸收和光电效应等现象,其热效应是激光辐照时的重要过程,也是激光破坏的主要原因之一,而且在激光加工、激光安全防护、激光制膜技术(PLD技术)以及激光医疗等实际应用中得到了广泛的应用[f6,}1。半导体器件是微电子工业的主要材料,在光电子领域也有广泛的应用,如光电二极管、光电探测器、CCD和一些其它的光电器件都是基于半导体材料的。所以,研究激光辐照下半导体材料的热效应十分重要。伴随着超短脉冲激光技术的发展,及惆啾脉冲放大技术的出现,使人们得以获得超短超强脉冲激光。现在人们己经能够产生高达10z0W/cm2超高强度光。同时飞秒激光脉冲的宽度也越来越窄,这意味着人们可能把光与物质的相互作用延伸到原子核层,出现研究相对论性状态非线性光学的可能性,飞秒激光技术的发展开拓了超快现象研究新的课题和为光与物质相互作用的研究揭示出许多新规律。飞秒激光技术作为一门技术手段应用前景十分广阔,并成为许多学科的生长点,例如:时间分辨光谱学,瞬态光谱学,强场效应,飞秒激光脉冲产生太赫兹电磁波辐射,飞秒激光脉冲溅射蒸发镀膜技术等。    研究激光对物质的相互作用主要有三种方法,即实验方法,理论模型分析方法和数值计算方法。实验方法比较精确,但实验成本一般较高,且实验条件比较苛刻。理论模型分析方法都是在一定的限制条件下提出的,许多假设与实际情况相差甚远,因此结果也是近似的,很难指导实际情况。因为虽然半导体材料在激光作用下的传热遵从热力学的基本规律,也包含传导、对流、辐射这三种传热形式,但它有自身的许多特殊性,例如:加热速度快、温度梯度大。激光作用有脉冲和连续之分,半导体材料表面激光作用区内的激光光强分布不均匀。在激光辐射加热过程中,半导体材料的吸收率及其一些热物理参数随温度升高而变化。因此,这是一个复杂的问题,很多学者提出的热模型与实际情况相比都存在一定的误差,存在一些假设,至今仍没有一个十分完善、与实际情况符合很好的激光加热模型。而数值计算方法则具有非常好的灵活性和处理复杂问题的能力,能综合考虑实际条件,较好的模拟激光与半导体材料相互作用过程,且成本低廉,不受实验条件限制。    本文主要是从热传导方程及双温方程出发,考虑脉冲激光参数的变化,对激光与半导体材料的相互作用过程用计算机进行数值计算或模拟,从而揭示脉冲激光与物质相互作用的某些性质和运动规律。激光与半导体材料的研究主要是载流子浓度变化以及温度变化。载流子浓度的变化将引起一些半导体参数的改变,从而导致半导体一些性质的改变。热作用研究主要是计算激光辐照下半导体材料温度的变化,以及温度变化引起的一些热效应。1.2国内外研究现状随着半导体材料的广泛应用和激光技术的迅速发展,关于半导体材料激光辐照效应的研究受到人们的重视。国外早在1959年Carslaw HS参考文献[1]Andreas Ostendorf. Precise structuring using femtosecond lasers[J].The Review of Laser Engeering, 2002, 30(5):221一225. Ov B N, Momma C, Nolte S,et al. Femtosescond, picosecond andnanosecond  laser  ablation  of  solids  [J]. Appl  Phys  A,  1996,郭少峰,陆启生,邓少永等ns脉冲激光对K9玻璃的破坏试验High M.Von Allmen. Laser-beam interaction with materials physical principles and  applications[M].Berlin:Springer-Verlag,Heidelberg,1987.[5}张山彪,王文军,毕军等.超短激光脉冲技术及其研究进展【J].激光杂 志,2003 }  24(4):11一13.郑启光,辜建辉.激光与物质相互作用【M].武汉:华中理工大学出版社,1996.孙承伟.激光辐照效应【M].北京:国防工业出版社,2 002.汇8]   Carslaw  H  S,Jaeger  J   C.Conducton  of  Heat  in  solids[M].London:Oxford Univ.Press,1959 Kruer M R, Esterowitz L, Allen R E, et al. Thermal models for laser damage in InSb photovoltaic and photoconductive detectors. Infrared Lax M. Temperature rise induced by a laser beam[J].J Appl Phys,  1977, 48(9):3919一3924.[川Lax M. Temperature rise induced by a laser beam II  The nonlinearase[J].Appl.Phys Lett, 1978, 33(8):786一788.[12)    Meyer     J  R,  Bartoli  F  J,  Kruer  M  R.  Optical  heating  in38 中文摘要 3-5 英文摘要 5-6 目录 7-10 1 引言 10-15     1.1 研究背景 10-11     1.2 国内外研究现状 11-13     1.3 本论文的主要内容和安排 13-15 2 激光辐照半导体材料的理论基础 15-32     2.1 半导体的光吸收 15-20         2.1.1 导体、半导体、绝缘体的能带 15-16         2.1.2 半导体的光吸收机理 16-20     2.2 激光作用固体材料的热源模型 20-22         2.2.1 热传导方程和基本热物理参数 20-21         2.2.2 激作用固体材料的热源模型 21-22     2.3 超短脉冲激光对半导体材料的破坏机理分析 22-26         2.3.1 超短脉冲的发展 22-24         2.3.2 超短脉冲激光破坏机理 24-26             2.3.2.1 能量吸收和热效应 25             2.3.2.2 表面汽化 25-26             2.3.2.3 微机构的改变 26             2.3.2.4 力学破坏 26             2.3.2.5 非线性过程 26     2.4 超短激光脉冲烧蚀特性及计算模型 26-32         2.4.1 飞秒激光烧蚀特性 26-29             2.4.1.1 使透明材料改性 27             2.4.1.2 有确定的烧蚀阈值 27-28             2.4.1.3 规则的加工边缘 28             2.4.1.4 逐层微加工 28-29         2.4.2 飞秒激光参数对加工的影响 29-32             2.4.2.1 激光波长的影响 29-30             2.4.2.2 激光脉宽的影响 30             2.4.2.3 脉冲个数的影响 30-31             2.4.2.4 脉冲重复率的影响 31             2.4.2.5 其他参数的影响 31-32 3 长脉冲激光辐照GaAs表面的热效应分析 32-38     3.1 长脉冲激光辐照半导体材料的热传导模型 32-34     3.2 激光脉冲参量对温升的影响 34-37         3.2.1 激光束光强分布的影响 34-36         3.2.2 激光脉宽的影响 36         3.2.3 激光束光斑半径的影响 36-37     3.3 小结 37-38 4 飞秒脉冲激光烧蚀Si表面的热效应分析 38-46     4.1 超短脉冲激光烧蚀半导体的物理模型 38-39     4.2 速率方程及双温方程的数值计算 39-41     4.3 计算结果与讨论 41-44     4.4 小结 44-46 5 总结 46-47 参考文献 47-53 攻读硕士学位期间发表的论文目录 53-54 致谢 54  

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