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材料导报 2024年第7期38卷 40-45页

作者：列维茨基·谢尔盖曹泽祥柯巴·亚历山大柯巴·玛丽亚乌克兰国家科学院半导体物理研究所基辅03028 乌克兰国立技术大学物理技术学院基辅03058 乌克兰国民警卫研究所国家安全系基辅03028

碲化镉的相对分子量为240,密度为5.885 g/cm^(3),熔点为1092℃。碲化镉是一种Ⅱ-Ⅵ族的化合物半导体材料,属于直接带隙型,带隙宽度为1.56 eV。碲化镉是制造X射线、伽马射线和红外线探测器的基本材料。对碲化镉的特别关注主要是由于其大... 详细信息

碲化镉的相对分子量为240,密度为5.885 g/cm^(3),熔点为1092℃。碲化镉是一种Ⅱ-Ⅵ族的化合物半导体材料,属于直接带隙型,带隙宽度为1.56 eV。碲化镉是制造X射线、伽马射线和红外线探测器的基本材料。对碲化镉的特别关注主要是由于其大原子数和大的光电吸收截面。在基于CdTe的伽马辐射势垒探测器结构中,其表面的处理方法之一是纳秒激光照射,在某些情况下,纳秒激光照射可以在触点(Ag、In、Au)和势垒形成的技术处理阶段优化所需的表面参数。另一种方法是在脉冲激光照射下在碲化镉表面形成有序的纳米结构。对基于半导体及其结构的脉冲激光器,可根据其不同的脉冲持续时间τ_(p)和辐射波长λ将其分类。例如,红宝石激光器(λ=694 nm)、钕激光器(一次谐波1064 nm和两次谐波532 nm)、准分子KrF激光器(248 nm)和XeF激光器(351 nm)等,其脉冲持续时间分别为7、20、80、120 ns。这些激光器常被应用于表面修饰等领域。因此,往往有必要事先知道或至少估计在脉冲激光辐射下碲化镉表面的熔化温度和阈值,这取决于激光脉冲持续时间τ_(p)、辐射波长(光吸收系数α(λ))以及碲化镉表面本身的电物理参数,特别是表面重组率S和非平衡电荷载流子的寿命。这些参数取决于表面处理的方法和掺杂物的浓度。在上述情况下,实验研究是非常耗费人力和时间的,因此基于τ_(p)、α(λ)和碲化镉表面本身的电物理参数对融化阈值th和表面温度进行理论计算变得非常重要。本工作采用激光照射碲化镉,辐射波长为300~800 nm,脉冲持续时间为7~120 ns。为了以非破坏性的和有效的方法来管理接近表面层状态的CdTe,在T=80 K下进行了光致发光实验。为了监测熔化阈值,研究了由Acrorad公司制造和抛光的尺寸为5 mm×5 mm×0.5 mm的Cl补偿p-CdTe(111)单晶的光致发光光谱。经过研究发现,在激光脉冲寿命从7ns到1μs的范围内,CdTe熔化阈值明显取决于光吸收系数α(λ)。因为在脉冲寿命长于1μs的情况下,热扩散深度明显大于CdTe中的激光辐射穿透深度,并开始依赖于反射系数R(λ)。对于较短的激光脉冲长度τ_(p),当辐射波长λ变化时,熔化阈值会发生显著变化。同时,非平衡过剩载流子参数的变化(如表面重组速度S从10^(3)m/s增加到10^(5)m/s,还有扩散深度LD从0.4μm增加到2μm)会对CdTe熔化阈值产生至少25%的影响。而且红宝石激光的脉冲持续时间在(20±5)ns区间内的变化导致相对熔化阈值的变化(ΔIth/Ith)为35%。CdTe熔化阈值的计算值可以有效地被用于优化脉冲激光对晶体的表面处理与掺杂。

关键词：碲化镉熔化阈值脉冲激光辐照半导体激光掺杂

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激光辐射波长和脉冲寿命对碲化镉熔化阈值的影响（英文）

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材料导报 2024年第7期 44-49页

作者：列维茨基·谢尔盖曹泽祥柯巴·亚历山大柯巴·玛丽亚乌克兰国家科学院半导体物理研究所乌克兰国立技术大学物理技术学院乌克兰国民警卫研究所国家安全系

碲化镉的相对分子量为240，密度为5.885 g/cm3，熔点为1 092℃。碲化镉是一种Ⅱ-Ⅵ族的化合物半导体材料，属于直接带隙型，带隙宽度为1.56 eV。碲化镉是制造X射线、伽马射线和红外线探测器的基本材料。对碲化镉的特别关注主要是由于其... 详细信息

碲化镉的相对分子量为240，密度为5.885 g/cm3，熔点为1 092℃。碲化镉是一种Ⅱ-Ⅵ族的化合物半导体材料，属于直接带隙型，带隙宽度为1.56 eV。碲化镉是制造X射线、伽马射线和红外线探测器的基本材料。对碲化镉的特别关注主要是由于其大原子数和大的光电吸收截面。在基于CdTe的伽马辐射势垒探测器结构中，其表面的处理方法之一是纳秒激光照射，在某些情况下，纳秒激光照射可以在触点(Ag、In、Au)和势垒形成的技术处理阶段优化所需的表面参数。另一种方法是在脉冲激光照射下在碲化镉表面形成有序的纳米结构。对基于半导体及其结构的脉冲激光器，可根据其不同的脉冲持续时间τp和辐射波长λ将其分类。例如，红宝石激光器(λ=694 nm)、钕激光器(一次谐波1 064 nm和两次谐波532 nm)、准分子KrF激光器(248 nm)和XeF激光器(351 nm)等，其脉冲持续时间分别为7、20、80、120 ns。这些激光器常被应用于表面修饰等领域。因此，往往有必要事先知道或至少估计在脉冲激光辐射下碲化镉表面的熔化温度和阈值，这取决于激光脉冲持续时间τp、辐射波长(光吸收系数α(λ))以及碲化镉表面本身的电物理参数，特别是表面重组率S和非平衡电荷载流子的寿命。这些参数取决于表面处理的方法和掺杂物的浓度。在上述情况下，实验研究是非常耗费人力和时间的，因此基于τp、α(λ)和碲化镉表面本身的电物理参数对融化阈值th和表面温度进行理论计算变得非常重要。本工作采用激光照射碲化镉，辐射波长为300～800 nm，脉冲持续时间为7～120 ns。为了以非破坏性的和有效的方法来管理接近表面层状态的CdTe，在T=80 K下进行了光致发光实验。为了监测熔化阈值，研究了由Acrorad公司制造和抛光的尺寸为5 mm×5 mm×0.5 mm的Cl补偿p-CdTe(111)单晶的光致发光光谱。经过研究发现，在激光脉冲寿命从7ns到1μs的范围内，CdTe熔化阈值明显取决于光吸收系数α(λ)。因为在脉冲寿命长于1μs的情况下，热扩散深度明显大于CdTe中的激光辐射穿透深度，并开始依赖于反射系数R(λ)。对于较短的激光脉冲长度τp，当辐射波长λ变化时，熔化阈值会发生显著变化。同时，非平衡过剩载流子参数的变化(如表面重组速度S从103m/s增加到105m/s，还有扩散深度LD从0.4μm增加到2μm)会对CdTe熔化阈值产生至少25%的影响。而且红宝石激光的脉冲持续时间在(20±5)ns区间内的变化导致相对熔化阈值的变化(ΔIth/Ith)为35%。CdTe熔化阈值的计算值可以有效地被用于优化脉冲激光对晶体的表面处理与掺杂。

关键词：碲化镉熔化阈值脉冲激光辐照半导体激光掺杂

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飞秒激光辐照下碳化硅热响应与熔化阈值模拟

飞秒激光辐照下碳化硅热响应与熔化阈值模拟

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作者：吴剑波上海师范大学

学位级别：硕士

单晶碳化硅（SiC）具有宽带隙、高击穿电压、高饱和电子漂移速度等优良半导体特性。此外,SiC是Ⅳ-Ⅳ族二元化合物半导体,具有很强的离子共价键,结合能稳定,具有优越的力学、化学性能,这些优异的性能使得碳化硅材料加工变得极为困难。激... 详细信息

单晶碳化硅（SiC）具有宽带隙、高击穿电压、高饱和电子漂移速度等优良半导体特性。此外,SiC是Ⅳ-Ⅳ族二元化合物半导体,具有很强的离子共价键,结合能稳定,具有优越的力学、化学性能,这些优异的性能使得碳化硅材料加工变得极为困难。激光加工技术作为一种新兴加工技术逐渐受到大家的广泛关注,尤其是飞秒激光加工技术,它具有加工精度高、热效应小、可实现三维微加工等诸多优势。本文主要围绕飞秒激光辐照SiC展开,重点研究六方碳化硅（6H-SiC）在飞秒激光辐照下热响应现象与熔化阈值模拟。主要研究成果如下:研究发现SiC在超短脉冲激光辐照下载流子温度分布随时间呈现出两个峰值,这是由于激光辐照过程中俄歇加热和激光直接加热在不同阶段占主导作用引起的,并且激光参数同样对双峰结构的调控起着重要作用。模拟了采用波长780 nm、脉宽50 fs、激光通量分别为0.5 J/cm与1.0 J/cm激光辐照时,不同机制下载流子温度随时间变化的曲线。发现双峰结构中第二个峰值的出现并不仅仅单独依赖于自由载流子吸收过程亦或是俄歇复合过程,而是两种机制共同作用的结果,它们的影响程度与激光通量有关,激光通量改变,载流子双峰形成起主导作用的物理机制也随之发生变化。波长对于双峰结构的调控源于激光辐照过程光学吸收系数有较大差别,激光脉宽与通量则影响辐照过程中激光强度大小。与激光强度相比,吸收系数对于双峰结构的影响更为显著。明确SiC载流子浓度、载流子温度与晶格温度随时间的变化规律是确定SiC熔化阈值的前提条件。本文介绍了超短脉冲激光辐照下SiC熔融阈值的条件,熔化过程包括热熔化和非热熔化,给出了非热熔化阈值的定义。激光辐照熔化过程中非热熔过程与热熔过程相对能量贡献占比是判定熔化形式的依据。如果能量通量足够大,辐照过程中非热熔过程能量贡献占比远大于热熔过程,熔化主要是非热熔的,否则是热熔的。详细探讨了阈值对波长和脉冲宽度的依赖关系以及不同激光通量下两种熔化类型在整个熔化过程中能量贡献占比。研究过程中以单脉冲辐照为基准,重点研究SiC被辐照区域开始熔化时熔化阈值F,为此分别模拟了780、400和248 nm三种激光波长在50～200 fs脉宽范围的熔化阈值曲线,以研究熔化阈值与激光参数的关系。结果表明,相同激光脉宽下激光波长越短熔化阈值越小。当以晶格温度（只考虑热熔过程）为熔化判断依据时计算出的熔化阈值略大于考虑热熔和非热熔过程计算出的熔化阈值。该工作为理解激光热响应过程提供了参考,并且对超短脉冲激光在碳化硅材料改性、切割与微加工等领域的应用提供了一种可能性。

关键词：碳化硅双峰结构熔化阈值

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强流脉冲离子束辐照砷化镓温度场的数值模拟

强流脉冲离子束辐照砷化镓温度场的数值模拟

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作者：孙建军大连理工大学

学位级别：硕士

强流脉冲离子束因其自身的诸多优越性,在材料领域里越来越受到重视。不同能量密度的束流因与靶作用效果不同而用来进行不同的研究目的,较低的能量可以直接用于改性,较高的能量既可以用来改性又可以用来沉积薄膜及制备纳米粉。如何针对... 详细信息

强流脉冲离子束因其自身的诸多优越性,在材料领域里越来越受到重视。不同能量密度的束流因与靶作用效果不同而用来进行不同的研究目的,较低的能量可以直接用于改性,较高的能量既可以用来改性又可以用来沉积薄膜及制备纳米粉。如何针对不同的靶材控制工艺参数达到实现不同的目的,需要从理论上进行指导,不能仅凭经验确定,因而建立有效的数值方法来解决这一非线性问题是非常必要的。紧密结合我们三束材料改性国家重点实验室从俄罗斯引进的TEMP型强流脉冲离子束(IPIB)加速器,根据拟合实测磁绝缘二极管(MID)电压波形以及采用法拉第筒检测的离子流密度建立了相应的物理模型,研究了IPIB辐照GaAs材料的过程中,材料内部温度场的变化,通过数值模拟找到GaAs靶发生熔化和汽化的能量阈值及其在一个脉冲时间内的温度场时空变化曲线。研究了辐照过程中热力学效应,建立了烧蚀过程的一维模型,对GaAs靶的烧蚀过程进行了数值计算,得到了脉冲处理过程中靶材内部的温度场分布及其演化规律。在温度场的模拟过程中,首先通过实测数据拟合了脉冲宽度为70ns,加速电压峰值为300kV,平均脉冲束流密度为180A/cm的电压和束流密度曲线以及功率密度函数。束流成分为H70%、C30%的IPIB垂直辐照GaAs材料,一个脉冲结束后,混合离子束的能量沉积深度为2.75μm左右,表面处沉积的最大能量是18.2kJ/cm左右。模拟结果给出了GaAs材料内部的温度时空分布和GaAs材料的熔化阈值为2.59kJ/cm,发生在脉冲开始后的第10ns。理论模拟结果与实验结果接近。束流中不同种类离子份额会产生不同的辐照效应。模拟研究了MID阳极采用石墨和采用聚乙烯涂层:由于碳离子入射靶材射程较短,而氢离子相对较长,因而MID采用石墨阳极时(H30%、C70%),束流能量主要沉积在表层,适用于薄膜制备的研究;而采用聚乙烯涂层时(H70%、C30%),能量沉积相对较深,适用于材料改性的研究。

关键词：数值模拟 IPIB 温度场 GaAs 熔化阈值能量沉积

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