激光诱发单粒子翻转的物理过程模拟.pdf
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1、激光诱发单粒子翻转的物理过程模拟秦可勉,彭海波,茆亚南,赵江涛,王铁山(兰州大学,兰州7 3 0 0 0 0)摘 要:针对激光诱发的单粒子翻转过程开展模拟,提出了激光与半导体相互作用的双电子共振吸收模型,并在此基础上推导出吸收系数随温度变化的规律。该模型能自然得到激光与半导体作用的非线性吸收结果。利用热峰模型计算激光辐照器件后的温度演化行为,模拟了激光入射器件产生的单粒子翻转过程,得到了激光能量与等效L E T的对应曲线,发现该曲线不是线性关系。该曲线是由激光在半导体中的非线性吸收导致的。除此之外还模拟了激光入射后产生的自由电荷总量与激光的特性参数(脉冲宽度)的依赖性关系。关键词:单粒子效应;
2、脉冲激光;热峰模型;双电子共振吸收模型中图分类号:O 5 7 1;T L 9 9 文献标志码:A D O I:1 0.1 2 0 6 1/j.i s s n.2 0 9 5 6 2 2 3.2 0 2 3.0 2 0 6 0 1收稿日期:2 0 2 2 0 6 2 5;修回日期:2 0 2 3 0 1 1 0基金项目:国家自然科学基金资助项目(1 2 1 7 5 0 9 2)通信作者:彭海波(1 9 8 0-),男,湖南宁乡人,教授,博士,主要从事材料辐照效应研究。E-m a i l:p e n g h b l z u.e d u.c nP h y s i c a l P r o c e s
3、s S i m u l a t i o n o f L a s e r-I n d u c e d S i n g l e E v e n t U p s e t sQ I N K e m i a n P E NG H a i b o MAO Y a n a n Z HAO J i a n g t a o WANG T i e s h a n L a n z h o u U n i v e r s i t y L a n z h o u 7 3 0 0 0 0 C h i n a A b s t r a c t I n t h i s p a p e r t w o e l e c t r o
4、 n r e s o n a n c e a b s o r p t i o n m o d e l s w h i c h c a n o b t a i n n o n l i n e a r a b s o r p t i o n r e s u l t s f o r l a s e r-s e m i c o n d u c t o r i n t e r a c t i o n s a r e i n t r o d u c e d a n d t h e c h a n g e o f m a t e r i a l a b s o r p t i o n c o e f f i
5、 c i e n t w i t h t h e t e m p e r a t u r e i s d e d u c e d M o r e o v e r t h e t h e r m a l p e a k s i m u l a t i o n i s u s e d t o c a l c u l a t e t h e t e m p e r a t u r e e v o l u t i o n b e h a v i o r a f t e r l a s e r i r r a d i a t i o n o f t h e s e m i c o n d u c t o
6、 r d e v i c e a n d t h e s i n g l e e v e n t u p s e t s S E U p r o c e s s i n d u c e d b y l a s e r i n c i d e n c e o n t h e d e v i c e i s s i m u l a t e d T h e n o n-l i n e a r r e l a t i o n b e t w e e n t h e l a s e r e n e r g y a n d t h e e q u i v a l e n t L E T i s o b t
7、 a i n e d w h i c h i s c a u s e d b y t h e n o n l i n e a r a b s o r p t i o n o f t h e l a s e r i n t h e s e m i c o n d u c t o r I n a d d i t i o n t h e d e p e n d e n c e o f t h e t o t a l a m o u n t o f f r e e c h a r g e g e n e r a t e d a f t e r l a s e r i n c i d e n c e o
8、 n t h e c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r o f t h e l a s e r a n d t h e p u l s e w i d t h i s a l s o s i m u l a t e d K e y w o r d s s i n g l e e v e n t u p s e t s p u l s e l a s e r s p i k e m o d e l t w o e l e c t r o n r e s o n a n c e a b s o r p t i o n m o d e l 航天器
9、在轨运行过程中,航天器中的电子元器件会不断受到空间环境里的各种宇宙射线的照射,发生一些危害其正常工作的辐射损伤效应13。其中,发生在半导体元器件上的单粒子效应因半导体器件的小型化趋势而愈发重要。单个重离子、中子或高能质子入射半导体元器件时,在粒子入射径迹附近直接或间接激发出大量自由电子 空穴对,这些自由电荷在器件中受电场作用发生迁移,形成电路1-106020第1 4卷 第2期2 0 2 3年6月现 代 应 用 物 理MO D E R N A P P L I E D P HY S I C SV o l.1 4,N o.2J u n.2 0 2 3设计之外的电流,最终引起器件工作状态异常,这种辐射
10、损伤效应通常被称为单粒子效应(s i n g l e e v e n t e f f e c t,S E E)。1 9 8 7年,R i c h t e r等4和B u c h n e r等5在实验中观察到激光同样可诱发S E E。随后,越来越多的学者开始研究激光在单粒子效应试验研究中 的 应 用69。S c h w a n k等1 0对 不 同 的S O I S R AM 器件进行了脉冲激光与重离子实验的对比研究,利用激光能量,基于双光子吸收机制计算出的等效线性能量传输(l i n e a r e n e r g y t r a n s f e r,L E T)阈值和重离子L E T阈值,计
11、算结果表明,两个阈值之间差异较大,且同种工艺,不同型号的一系列器件上体现的差异不具有规律性。G o r d i e n k o等1 1模拟了在I C晶体基板侧的激光刺激实验,评估激光对替代重离子实验的可行性。R o c h e等1 2和K h a c h a t r i a n等1 3利用短波长飞秒脉冲激光工具对G a N材料的单粒子瞬态效应机制进行了研究,指出无论是由于材料生长缺陷还是辐射引起的位移损伤,现有的激光诱发单粒子效应实验方法对电荷载流子陷阱都很敏感。S k o r o b o g a t o v等1 4报道了激光波长和实验环境温度对激光诱发单粒子效应的影响。韩建伟等1 5通过理论
12、研究和实验测试,给出了基于双光子吸收的脉冲激光等效重离子L E T的理论公式,认为等效L E T值与激光能量是二次关系,系数与材料参数和器件参数有关。在激光与半导体材料相互作用的物理机制研究中,目前常用的是单、双光子吸收模型1 61 7。单光子吸收是指能量高于带隙的光子入射,造成半导体材料中电子的激发;双光子吸收是指2个能量介于带隙1/2和整个带隙宽度的光子同时入射,造成材料中价带电子的激发1 7。本文提出了激光与半导体材料相互作用的双电子共振吸收模型,认为激发电荷的能量来自入射光子的能量和高能态自由电子的退激。1激光与半导体相互作用的物理过程半导体器件的单粒子翻转(s i n g l e e
13、 v e n t u p s e t,S E U)过程是由于单粒子入射产生的电荷超过了器件翻转所需的临界电荷所致1 8。所以,对激光而言,当脉冲激光入射器件中产生的自由电荷数超过器 件 的 临 界 电 荷 时,也 可 导 致 器 件 状 态 发 生翻转5,1 9。器件材料通常采用硅等半导体材料,因此从物理角度看,器件状态发生翻转的前提就是光子与半导体材料相互作用产生了足够多的自由电子。一般认为,光子入射半导体过程中,当单个光子能量高于半导体带隙能级差时可产生一个自由电子。然而,实验上发现,实际使用单光子能量低于带隙的激光入射器件也产生大量自由电子,导致S E U1 9。为解释这种现象,研究人员
14、提出了双光子吸收模型1 7,即两个光子同时被一个电子吸收,使该电子跨越带隙至导带,它是由激光的非线性吸收假设引入的,要求单个光子能量高于带隙的1/21 6。从另一个角度讲,对于整个器件而言,激光辐照产生的自由电子总量,可用器件中的自由电子数密度与存在自由电子的体积来描述。而自由电子的数密度可从费米狄拉克分布得到,因此通过模拟激光入射后器件的温度分布就可得到自由电子的数密度分布,从而得到产生的自由电荷数。为得到器件的温度分布,必须考虑激光与半导体相互作用过程,本文提出了一种双电子共振吸收(t w o e l e c t r o n r e s o n a n c e a b s o r p t
15、i o n,T E R A)模型,用于解释激光与半导体材料的相互作用过程。图1为双电子共振吸收示意图。图1双电子共振吸收示意图F i g.1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f t w o e l e c t r o n r e s o n a n c e a b s o r p t i o n半导体的价带和导带都有一定数目的电子分布,当光子入射时,导带中的一个高能态电子向下跃迁,二者共同作用,将价带的一个电子激发到导带。带隙宽度Eg、高能态电子退激释出的能量Ea和光子能量h 的关系可表示为Eg=Ea+h Eg=Ea+h(1)这个过程发生的前提是必须存在导带
16、电子,且双电子共振吸收过程发生的概率与导带中自由电子的数密度成正比。半导体材料吸收激光能量后,电子的温度会升高,因此导带中会存在数量更多、能态更高的价电子,这进一步增加双电子共振吸收过程的概率。上述过程形成一个正反馈,自然解释了光子的非线性吸收效应。2-106020第1 4卷现 代 应 用 物 理激光辐照半导体材料时,材料对激光的吸收过程可表示为dIdz=-(ne,T)I=-(I)(2)其中:I为激光强度;为半导体材料对激光的吸收系数;ne是自由电子数密度;T为温度;z为入射深度。激光入射后,大量电子被激发,可将材料看成等离子体,此时吸收系数由等离子体的吸收系数决定。当激光圆频率远大于电子与光
17、子的碰撞频率c时,可表示为2 0=k0c2p2 c 2-2p(3)其中:c为光速;2p为等离子体频率,p2p e2=nee2/me0;p e为等离子体中的电子振荡频率;e,me分别为电子的电量和质量;0为真空介电常数。根据文献2 1 2 2 可知,c和电子温度Te满足线性关系c=ATe。其中,A为常数,由3 0 0 K下波长为1 0 6 4 n m的激光入射本征硅材料的吸收系数(1.4 31 0-3 m-1)推出。代入参数计算即可得到不同掺杂条件下,吸收系数随电子温度的变化关系,如图2所示。图2不同掺杂条件下,吸收系数随电子温度的变化关系F i g.2 v s.Te i n d i f f e
18、 r e n t i n i t i a l d o p i n g c o n c e n t r a t i o n s由图2可见,在初始温度为3 0 0 K时,激光在本征硅材料中的吸收系数为1.4 31 0-3 m-1,而掺杂浓度分别为1 01 2,1 01 4,1 01 6 c m-3时,吸收系数分别为0.1 6 6,1 6.4 5,1 6 4 5 m-1。说明温度较低时,掺杂浓度对激光在半导体材料中的吸收具有重大影响。随着电子温度的升高,材料的吸收系数会逐渐增大,如对本征半导体而言,温度为3 0 0 K时,吸收系数为1.4 31 0-3 m-1,当温度升到5 0 0 K时,吸收系数增
19、大至3 0 m-1。由图2还可见,当电子温度增加到8 0 0 K时,不同初始掺杂浓度硅材料的吸收系数逐渐趋于接近,这是因为大量电子被激发到导带,激发的自由电子的数密度远高于初始掺杂浓度。2热峰模型为模拟得到自由电子的数密度,引入了热峰模型计算器件中的温度分布2 3。该模型将半导体考虑成电子和晶格2个系统,分别具有不同的热导率、热容量和温度2 42 7。分布方程可表示为CeTet=(KeTe)-g(Te-Ta)+AeCaTat=(KaTa)-g(Ta-Te)+Aa (4)其中:Ta为晶格的温度;Ce和Ca分别为电子和晶格的比热容;Ke和Ka分别为电子和晶格的热导率;Aa和Ae分别为沉积在晶格和电
20、子中的能量;g为电子晶格耦合常数,反映了电子和晶格之间的热量传递。热峰模型中参数的取值或随温度变化的计算式如表1所列2 82 9。激光入射器件后电子温度的分布和演化过程,可从激光入射后器件内部温度分布的演化行为得到。激光光斑直径取为1.6 m,半导体的材料为硅材料,器件的典型尺寸为上百纳米,而敏感区的深度为微米量级。建立的激光入射器件模型如图3所示。器件体积为2 0 0 n m2 0 0 n m2 0 0 0 n m,激光沿z轴方向入射。由于激光光斑直径远大于器件特征尺寸,可认为x O y平面上的温度相同,仅在z轴上有差异,这意味着在z轴的自由电子数密度分布有差异。图3激光入射器件模型F i
21、g.3 D e v i c e m o d e l i n d u c e d b y l a s e r3-106020 秦可勉 等:激光诱发单粒子翻转的物理过程模拟第2期表1热峰模型中参数的取值或随温度变化的计算式T a b.1 P a r a m e t e r s u s e d i n t h e r m a l s p i k e m o d e lP a r a m e t e rV a l u eCe/(k e V n m-3 K-1)6.2 51 0-7Ca/(k e V n m-3 K-1)Ca=-1.9 6 3 31 0-6+6.5 0 4 71 0-8T-7.5 5 0
22、 1 51 0-1 1 T2(T1 6 8 3 K)Ca=1.0 1 6 0 1 51 0-5+2.1 3 0 0 51 0-9 T+4.6 1 5 3 51 0-1 3T2(1 6 8 3 KT2 9 5 3 K)Ke/(k e Vn m-1K-1f s-1)5.01 0-5Ka/(k e Vn m-1K-1f s-1)Ka=2.4 81 0-6-8.7 51 0-9T+1.4 71 0-1 1T2-1.2 81 0-1 4T3+5.6 11 0-1 8T4-9.7 31 0-2 2T5(T1 6 8 3 K)Ka=8.7 51 0-8(1 6 8 3 KT2 9 5 3 K)g/(Wc m
23、-3K-1)3.71 09 模拟了波长为1 0 6 4 n m,脉冲宽度为2 5 p s,单脉冲能量为5 3 2 p J的激光入射硅材料后器件的电子温度随深度和时间的变化关系,如图4所示。图4激光入射硅材料中电子温度随深度和时间的变化关系F i g.4 E l e c t r o n i c t e m p e r a t u r e v s.d e p t h a n d t i m e i n S i i n d u c e d b y l a s e r由图4可见,随着激光入射时间的增加,电子温度越来越高;当激光脉冲结束后,电子的表面温度会迅速降低,同时高温区会不断往深处扩展,图4中黑线
24、为电子温度8 5 0 K的等温线;辐照后表面温度远高于体内。此外,随着时间增加,表面和体内的温度差越来越显著。这是由于随着电子温度增加,表面的自由电子浓度增加,材料的吸收系数也迅速增加,导致了材料表面沉积能量多,而在内部沉积能量相对少,最终导致了表面和体内的温度差异。由于电子热平衡时间非常短(约为1 0 f s)3 0,可认为,在激光停止1 0 f s后,电子处在准热平衡态。热平衡的电子在半导体中遵从费米狄拉克分布3 1,表示为 n0=Nce x p-Egk0Te Nc=2(2 k0Te)3/2(m*em*a)3/4h3 (5)其中:n0为自由电子/空穴数密度;Nc为导带的有效状态密度;Eg为
25、禁带宽度;k0为波尔兹曼常数;me*、ma*分别为电子和空穴的有效质量;h为普朗克常数。由式(5)可知,根据温度可计算自由电荷的激发情况。通常情况下,材料的晶格温度和电子温度相同,因此,在费米狄拉克推导时没有特殊说明电子温度和晶格温度。在准热平衡条件下,电子温度会远远高于晶格温度,费米狄拉克描述电子的态密度。因此,本文使用电子温度代替费米狄拉克分布的温度。3模拟结果图5为不同脉冲宽度的激光入射,激发总电荷随时间的变化关系。模拟选择的脉冲宽度分别为5,1 0,2 5,5 0,1 0 0 p s。激光光斑直径为1.6 m,材料为硅材料。由图5可见,激光入射后,产生的自由电荷的总电荷会在脉冲结束后达
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