纳秒激光辐照4H-SiC的热效应的数值计算

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激光加工技术正在成为制造碳化硅(SiC)器件的重要工具,如微动开关、可调电容器、微加工的电感器、微加工的天线和谐振器等都是可以通过激光加工制造的。与硅基器件相比,碳化硅基器件在工作频率、功率处理能力和可靠性等方面都有所提高。现在对激光与SiC的研究主要局限于实验方面,对于理论计算的系统研究还鲜有报道。本文以355 nm和248 nm的纳秒激光为例对激光与SiC的热效应进行系统的研究。数值计算结果表明:在355 nm激光辐照SiC时,使用热传导-耦合模型能够获得准确的载流子浓度的分布信息;而仅仅考虑温度变化时,使用热传导模型就能准确地得到不同脉宽、不同激光能量密度下的温度随时间和深度的变化曲线。脉宽为4 ns、激光能量密度在0.35~0.75 J/cm2之间,材料表面的温度为1903~3100 K,适合于离子注入后的激光退火;脉宽为40 ns、激光能量密度在1.75~2.75J/cm2之间,Ni/SiC体系表面的温度是1806~2680 K,有利于SiC欧姆接触的形成。激光辐照的热效应分布图为不同激光应用提供了选择激光参数的依据。实验研究了248 nm激光辐照时的激光辐照次数对SiC近表面组分和厚度的影响,当激光辐照次数分别为50、70、1000次时,碳化硅损伤层的厚度在370nm左右,其中富碳层的厚度约为100 nm,Si1-xC、Si、C混合物的厚度约为270nm。以实验为基础,建立了激光辐照碳化硅损伤层的基本物理模型,计算结果表明,101 nm厚度范围内损伤层的温度大于5100 K,高于Si、C的沸点,近似认为这一厚度的损伤层全部被升华掉;3100-5100 K温度范围对应的损伤层厚度为368 nm,在这样的温度下SiC存在部分分解,实验和理论计算基本吻合。温度分布计算结果加深了对碳化硅辐照引起的分层现象的认识。
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