半导体电子器件辐射效应激光模拟的物理机理及实验方法

当需要等效的瞬时剂量率和所需激光功率密度大于一定阈值时会发生双光子吸收。激光与半导体相互作用还存在直接复合、间接复合、俄歇复合等复合机制。由于表面金属覆盖的影响，会导致水平方向上光致载流子浓度不同。因此，课题组考虑了双光子吸收的载流子产生-复合的综合效应和温度效应，首次建立了三维激光等效剂量率模型。

激光照射半导体器件时

当激光照射完毕时

只需要求解上述偏微分方程即可获得非平衡载流子浓度随时间和空间的变化关系，并可根据过剩载流子浓度计算电流密度。该模型与国外已有工作，除了可得到不同时刻、不同深度的载流子浓度、电流大小，还可定量分析外加偏压对电流峰值的影响。通过对器件版图的二值化处理，可将金属覆盖也融入到模型中，比已有的一维激光模拟模型具有更高的完善性。

课题组还研究了金属覆盖率、激光波长及激光参数与器件内光场分布的关系。发现当待测二极管器件尺寸和金属遮挡宽度远大于入射光波长时，金属覆盖率增大时器件的光电流逐渐减小，但光电流的时间响应曲线变化不大，峰值光电流与金属遮挡宽度呈线性关系。当二极管器件尺寸和金属遮挡宽度小于等于入射光波长时，入射激光在器件中形成干涉场，且金属区域附近形成场强较大的表面等离子体激元共振场，如图3所示。不同金属遮挡宽度下的光电流随时间变化关系以及峰值光电流随金属遮挡宽度的变化关系见图4，器件产生的峰值光电流随金属遮挡宽度的增加而减小，但不再是简单的正比关系。

2  激光模拟半导体器件瞬时剂量率效应的实验系统及实验方法

课题组自行设计并完成了国内首套双波长电离辐射效应激光模拟系统(IELS)(如图5所示)：①频率可从1~50 Hz连续可调，可用于研究不同频率下激光与半导体器件相互作用的物理过程；②光斑可从50 μm~12 mm调节，既可聚焦定位器件中的灵敏单元和灵敏层，也可扩束研究整个器件的响应；③能量调节范围可从10 nJ~10 mJ连续调节，剂量率等效范围大于10³~10¹⁰ rad(Si/s)；④532 nm和1064 nm双波长选择，可以用于Si/SOI、Ge、GaAs、InP等材料的半导体器件的模拟。IELS的上述特性有效弥补了国外提出的单波长激光模拟系统的不足，为半导体器件剂量率效应研究提供了有力手段。课题组还设计国内外首套宽禁带半导体器件电离辐射效应激光模拟系统(w-IELS)，有效支撑新一代IMS电子学系统中高压、高频、光电器件及微系统的剂量率效应研究。