矩形激光脈沖輻照下半導體溫度場理論研究

左惟涵，陳趙江，方健文，劉世清

(浙江師范大學數理與信息工程學院，金華321004)

引 言

隨著微電子產業的高速發展，半導體材料作為電子產業重要的材料之一，其光熱效應研究越來越受到重視，這需要發展高靈敏、高空間分辨率和快速簡單的測量技術來檢測半導體材料的特性。光聲光熱技術是一種基于光聲光熱效應建立起來的靈敏度高和有較高空間分辨率的非接觸無損檢測技術，目前已廣泛應用于物理、化學、生物、醫學和材料等領域［1-4］，特別是半導體材料和器件一直是光聲光熱檢測技術的重要應用對象［5-7］。近些年來，ZHAO等人［8］提出了一種新的激光光熱技術——階躍光激勵的光熱技術。相比傳統技術，該技術實驗裝置簡單、測量快捷，因而越來越得到人們的關注。目前，階躍光激勵光熱技術大多局限于普通固體材料的熱學參量測量和表征，在半導體材料中的應用尚在起步階段。ZHANG等人［9］基于本征函數法給出了階躍光激勵下材料溫度分布的3維理論，但僅局限于一般固體材料;YE等人［10］求解分析了半導體材料中的1維溫度分布，但是模型中沒有考慮載流子表面復合速率的影響，且1維模型不能很好地和實驗條件相符合。此外，以往關于階躍光激勵光熱技術的理論研究均局限于溫度瞬態分布的上升沿部分，對下降沿的情況沒有進行討論。

本文中根據半導體的光電效應和熱傳導規律建立了矩形激光脈沖輻照下半導體材料的3維理論模型，明確地給出了等離子體波和溫度分布隨時間變化的具體解析形式。通過數值模擬研究了矩形激光脈沖輻照下半導體內光生載流子濃度和溫度的變化規律，對不同半導體參量如光生載流子復合速度、光生載流子壽命以及擴散速率等對變化規律的影響進行了分析。其次，討論了矩形激光脈沖激勵下半導體材料溫度沿徑向的擴散規律。此外，利用多參量擬合靈敏度以及相關性分析對利用階躍響應脈沖信號表征半導體參量的可行性進行了闡述。

1 理論模型

當一束矩形激光脈沖垂直入射半導體樣品表面時，如果入射光子的能量(E=hν，其中h為普朗克常數，ν為輻射電磁波頻率)大于半導體的禁帶寬度(即能隙Eg)，則在半導體體內將激發電子-空穴對，即光生載流子。然后在大約10-12s的弛豫時間內，載流子的過剩能量(hν-Eg)通過與晶格的碰撞將傳遞給晶格而轉化為熱能，使晶格溫度上升。由于濃度梯度的存在，光生載流子將產生擴散，形成等離子體波。與此同時，伴隨著電子-空穴的復合過程，其復合時間(即光聲載流子的壽命τ)約為10-3s～10-9s。隨著激發態的光生電子與空穴復合，其能量將傳遞給晶格，相當于對晶格形成又一次加熱過程，使半導體溫度場發生變化，形成熱波。本文中采用的理論模型如圖1所示，在模型中忽略空氣介質的影響。

Fig.1 Theoreticalmodel of semiconductormaterials irradiated with rectangular laser pulse

在激光脈沖輻照下半導體內的瞬態光生載流子濃度分布 n(r，z，t)和樣品中溫度分布 Ts(r，z，t)滿足如下擴散方程［11］:

式中，De是光生載流子的擴散率，τ是光生載流子的壽命，Dt，s為樣品的熱擴散率，r是樣品表面徑向距離，z是樣品的縱向深度，光生載流子的產生速率Qe(r，z，t)和熱源項 Qt( r，z，t)分別表示為:

式中，η是量子效率系數，β是光吸收系數，P0是入射光功率，a是樣品表面入射光斑半徑，r是柱坐標徑向分量，ks為樣品的熱導率，f(t)為矩形脈沖函數，可表示為:

式中，tp是矩形激光脈沖寬度。(1)式滿足如下邊界條件:

和

式中，Sf和Sr分別為樣品前表面和后表面的光生載流子復合速率，L為樣品厚度。

對(1)式分別作Hankel變換，并用z方向的本征函數法［12］展開:

式中，本征函數φk(z)和φk(z)的具體推導過程和表達式可見參考文獻［12］，δ是r經漢克爾變換后的對應的新變量，J0(δr)為漢克爾變換對應的零階貝塞爾函數，T1(δ，t)φk(z)為對邊界條件(7)式齊次化后求得的溫度場，T2(δ，z，t)為對邊界條件(5)式進行齊次化處理所得的附加項:

將(8)式代入(1)式進行Laplace變換，并應用卷積定理，然后將f(t)的表達式代入，整理可得:

式中，tp表示階躍時間λk是對應 φk(z)的本征值。將(11)式代入(8)式即可得瞬態光生載流子濃度分布n(r，z，t)。

同理，經整理后T1(δ，t)φk(z)可以寫成如下形式:

式中，將nk(δ，t)中的時間t和求和項k分別用積分變換和 j表示，得到 nj(δ，ξ)，nj'(δ，ξ)表示的是nj(δ，ξ)對時間 t的1 階偏導數。Qt(δ，λk)=G(δ) ×將(12)式和(10)式代入(9)式，即可得半導體中溫度場的瞬態分布。

2 結果與討論

根據理論模型對其進行數值計算，所使用的參量如下:半導體材料厚度L=0.5mm，熱導率ks=142W·m-1·K-1，熱擴散率 Dt，s=8.42 ×10-5m2/s，光吸收系數β=2.4×106m-1，禁帶寬度Eg=1.79×10-19J，激光功率P0=1W，光斑半徑a=1mm，入射光子能量 hν=3.97×10-19J。

圖2為不同載流子參量情況下根據上述理論模型計算得到的矩形激光脈沖輻照下光生載流子濃度n(r，z，t)隨時間t的變化規律。從圖2a中可以看出，隨著載流子上表面復合速率Sf的增加，曲線上升越快，光生載流子濃度達到平衡時所用的時間越短，但其幅值卻越小;其下降速率也越來越快。從圖2b中可看出，隨著載流子壽命τ的增加，曲線上升得越慢，光生載流子濃度達到平衡時所用時間越長，其幅值也隨之變大;其下降的速率也越慢。從圖2c中可以看出，隨著載流子擴散速率De的增大，其下降速率也越快。光生載流子濃度達到平衡時所用的時間越短，但是幅值卻越小，從(11)式可以看到時間項只和指數項有關，此項中的衰減系數λ2，kδ決定了曲線變化的快慢。而衰減系數的大小是由載流子上(下)表面復合速率Sf(Sr)、載流子壽命τ以及載流子擴散速率De共同決定的，這些參量是造成了載流子濃度上升和下降快慢的主要因素。

圖3是根據模型計算得到的不同載流子參量情況下，樣品表面中心溫度隨時間變化的規律，從圖3a中可以看出，隨著載流子上表面復合速率Sf的增加，溫度幅值越大;從圖3b中可以看出，隨著載流子壽命τ的增加，溫度幅值隨之變小;從圖3c中可以看出，隨著載流子擴散速率De的增大，溫度的幅值也隨之變大;從圖3d中可以看出，隨著熱擴散速率Dt，s的增大，幅值雖無變化，但達到平衡時所用的時間縮短。這是因為材料的熱擴散率越大，熱量在材料中的傳遞速度也就越快，那么樣品達到穩態所需要的時間就越短。從(12)式中的指數項可以看出，熱擴散系數的大小對溫度曲線變化快慢有非常重要的影響。對比圖2和圖3，由于半導體樣品的熱擴散系數Dt，s=8.42×10-5m2/s比載流子擴散速率De=1.5×10-3m2/s小很多，因此圖3中的曲線達到穩定的時間與圖2相比更長。此外，從圖3可知，不同參量條件下溫度上升曲線比溫度下降曲線的差異更為明顯，其原因可能與熱波的擴散過程有關。

Fig.2 Time evolutions of photo-generated carriers density at the surface center for differentmaterial parameters a—different surface recombination rates Sf b—different photogenerated carriers lifetimesτ c—different photo-generated carriers diffusivity De

此外，作者對樣品表面溫度隨徑向距離的分布情況也進行了計算。從圖4a可知，隨著激勵光光斑半徑的增大，靠近加熱光束中心位置的溫度快速衰減而溫升在徑向的分布范圍增大。這是因為激勵光功率不變而光斑變大，光能量密度減少的緣故。因此，在光熱檢測時需激光光斑半徑較小以在加熱光束中心位置得到較為明顯的溫升。此時，為了能夠準確地表征光斑中心及其周圍溫度場必須要使用3維模型。從圖4b可以看出，隨著光照時間的增加樣品溫度快速上升，與此同時樣品表面的溫度隨徑向距離快速擴散。根據這個特性，可以用矩形激光脈沖輻照的光熱技術獲得樣品表面的光學和熱學信息。

Fig.3 Time evolutions of temperature variation at the surface center a—different surface recombination rates Sf b—different photo-generated carriers lifetimesτ c—different photo-generated carriers diffusivity De d—different thermal diffusivity Dt，s

在利用階躍光激勵光熱技術表征半導體材料參量時主要是采用基于最小二乘法原理的多參量擬合方法，即利用光熱信號模型對階躍響應實驗信號進行擬合使其誤差平方和函數最小，從而來確定待測的半導體材料參量［13］。在多參量擬合時，需考慮所用數學模型中待求參量對信號的靈敏度以及各參量間的相關程度。當待求參量靈敏度很小或待求參量之間存在線性依賴時，擬合時很難得到收斂和穩定的解。從圖2和圖3可知，表面復合速率Sf、載流子壽命τ和載流子擴散率De參量變化時，其等離子體波和熱波階躍響應曲線具有類似的特征。因此，能否利用階躍響應曲線同時確定上述3個未知半導體參量需進一步研究。利用參考文獻［14］中給出的方法對此問題進行了分析，并在圖5中給出了一個典型的數值模擬結果。圖5中3條曲線分別代表上述3個參量對等離子體波階躍響應信號的靈敏度。從圖可知，不同參量對階躍響應信號的靈敏度存在差異，靈敏度系數越高，對應參量的擬合精度越好。對于圖5中設定的參量值，表面復合速率Sf容易精確擬合得到。此外，從圖中也可發現不同參量靈敏度系數的相關性不同，相關性系數越大，則同時擬合得到這兩個參量越困難。在圖5中Sf和τ的參量靈敏度相關性高達0.89，因此這兩個參量組合［Sf，τ］難以同時擬合得到。而其它兩種未知參量組合［Sf，De］和［τ，De］的靈敏度相關性分別為 0.68 和0.51，因此是可以通過參量擬合的方法同時確定的。

Fig.4 Temperature distribution at the sample surface along radial distance a—different spot radius a b—different time t

3 結論

建立了矩形激光脈沖激勵下半導體材料溫度分布的3維理論模型，采用本征函數展開法求得了半導體中光生載流子濃度和溫度分布解析表達式。通過數值模擬分析了不同參量條件下半導體內光生載流子濃度和溫度隨時間的變化規律。結果表明，矩形脈沖激光激勵下光生載流子表面復合速率、光生載流子壽命和載流子擴散系數對半導體材料的溫升的階躍響應曲線具有重要影響。同時，由于半導體的熱擴散率與載流子擴散率相比較小，溫度場達到穩定所需要的時間比光生載流子濃度達到穩定所需要的時間長，因此，通過測量溫升曲線的變化更容易對半導體材料參量進行表征。此外，脈沖激光的光斑半徑與輻照時間的不同對溫度場時間與空間的分布也會產生不同的影響。上述結果表明，利用矩形激光脈沖輻照的光熱技術可以對半導體材料特性進行表征。

Fig.5 Sensitivity coefficients of step response signal of plasma wave for surface recombination rates Sf，photo-generated carriers lifetimes τand photo-generated carriers diffusivity De(among them Sf=40m/s，τ=10-5 s，De=1.5 ×10-3 m2/s，other parameters are the same as above)

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