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陆启生 著

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• 半导体材料
• 激光辐照
• 器件效应
• 材料科学
• 电子工程
• 物理学
• 半导体物理
• 激光技术
• 辐照损伤
• 器件可靠性

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出版社： 国防工业出版社

ISBN：9787118101843

商品编码：29434104593

包装：平装-胶订

出版时间：2015-12-01

基本信息

书名：半导体材料和器件的激光辐照效应

定价：98.00元

作者：陆启生

出版社：国防工业出版社

出版日期：2015-12-01

ISBN：9787118101843

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装-胶订

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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本书针对的读者群体是在相应领域里从事科学技术研究的研究生和相关的科研工作者。

目录

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章 半导体材料的基本特性
1.1 半导体内电子能态
1.2 金属、半导体和绝缘体的能带结构
1.3 半导体内载流子的有(等)效质量与迁移率
1.4 半导体材料内电子和声子的统计特性
1.4.1 电子和声子的统计分布函数
1.4.2 费米子的统计特性
1.4.3 玻色子的统计特性
1.5 热容
1.5.1 声子对热容的贡献
1.5.2 半导体中传导电子对热容的贡献
1.5.3 半导体材料的总热容
1.6 热膨胀
1.7 热传递
1.7.1 热传导
1.7.2 热对流
1.7.3 热辐射
1.8 热学参数的尺度效应
1.8.1 热容的尺度效应
1.8.2 热传递的尺度效应
1.9 半导体中离子扩散与晶体熔化
1.9.1 半导体中离子扩散
1.9.2 半导体材料的熔化
参考文献
第2章 激光在半导体材料中的传播
2.1 光在半导体中传播的一般规律
2.2 介质在电磁场中的极化
2.3 光与半导体材料耦合的量子力学叙述
2.4 半导体材料的极化率张量
2.5 半导体材料中极化电磁波的色散关系
2.6 极化激元波在半导体材料中的传播
2.7 光在半导体内等离子体中的传播
2.8 光与半导体内激子的耦合
2.9 半导体内表面极化激元和表面等离子体激元波的传播
参考文献
第3章 激光在半导体材料中的吸收与弛豫
3.1 激光在半导体材料中的线性吸收
3.1.1 电子的线性吸收
3.1.2 半导体材料中等离子体对激光的吸收
3.1.3 激子对激光的吸收
3.1.4 晶格对激光的线性吸收
3.1.5 选择定则
3.2 半导体材料对激光的非线性吸收
3.2.1 多光子过程
3.2.2 受激拉曼散射
3.2.3 受激布里渊散射
3.3 激光施加给半导体的基本作用力
3.3.1 激光场与带电粒子的相互作用力
3.3.2 激光场引起的电致伸缩力
3.3.3 辐射压力
3.3.4 有质动力
3.4 吸收的激光能量在半导体材料内的弛豫
3.4.1 电子与声子相互作用引起的弛豫过程
3.4.2 电子与电子相互作用的弛豫过程
3.4.3 声子与声子相互作用的弛豫过程
3.5 载流子的复合与弛豫
3.5.1 载流子的直接复合与产生
3.5.2 载流子的级联(复合中心)复合
3.5.3 载流子的辐射复合与温度和辐射场的关系
参考文献
第4章 半导体中的载流子输运
4.1 玻耳兹曼方程
4.1.1 玻耳兹曼方程
4.1.2 弛豫时间近似
4.2 能量平衡模型
4.2.1 主要物理量的数学表述
4.2.2 能量平衡模型的数学表述
4.3 漂移一扩散模型
4.4 漂移扩散模型的数值解法
4.4.1 基本方程
4.4.2 边界条件
4.4.3 稳态分析
4.4.4 瞬态计算
参考文献
第5章 单元光电器件的激光辐照效应
5.1 光导型探测器的工作原理
5.1.1 光电导的激发机制
5.1.2 光导型探测器的工作模式
5.2 光伏型探测器工作原理
5.2.1 热平衡状态下的PN结
5.2.2 PN结的电学响应
5.2.3 PN结的光学响应
5.3 光电探测器的光学饱和效应
5.3.1 光导型探测器的光学饱和效应
5.3.2 光伏型探测器的光学饱和效应
5.4 激光辐照光电探测器的温度效应
5.4.1 探测器结构对探测器温度变化的影响
5.4.2 光导型探测器中的温升效应
5.4.3 光伏型探测器中温升对信号的影响
5.5 波段外激光辐照光电探测器的响应机理
5.5.1 光导型探测器对波段外激光的响应机理
5.5.2 光伏型探测器对波段外激光的响应机理
5.6 单元光电探测器的激光损伤机理
5.6.1 连续激光对单元光电探测器的致损机理
参考文献
第6章 激光与阵列光电器件相互作用
6.1 可见光CCD成像器件的工作原理
6.1.1 CCD的单元结构及其功能
6.1.2 典型可见光CCD成像器件
6.1.3 CDS技术及A／D转换简介
6.2 可见光CCD的激光致眩效应与机理
6.2.1 基本激光致眩效应
6.2.2 特殊激光致眩效应
6.3 激光对CCD器件的损伤效应
6.3.1 脉冲激光对CCD损伤的一般过程
6.3.2 脉冲激光对CCD的损伤机理
6.3.3 脉冲激光对CCD材料的损伤
参考文献
第7章 激光对半导体材料的热和力学损伤
7.1 连续激光辐照半导体材料引起的热和力学损伤
7.2 脉冲激光辐照半导体材料引起的热和力学损伤
7.2.1 脉冲激光对硅的热和力学损伤
7.2.2 脉冲激光对砷化镓的热和力学损伤
7.2.3 脉冲激光对碲镉汞的热和力学损伤
7.2.4 脉冲激光对锑化铟的热和力学损伤
7.2.5 脉冲激光对其他半导体材料的热和力学损伤
7.2.6 脉冲激光辐照半导体材料产生的周期状波纹
7.3 激光辐照半导体材料热效应的基本方程
7.3.1 热传导基本方程
7.3.2 激光辐照半导体材料引起的熔化和汽化
7.3.3 非傅里叶热传导简介
7.4 激光辐照半导体材料力学效应的基本方程
7.4.1 热弹性力学基本方程
7.4.2 激光辐照下半导体表面剧烈汽化的力学效应
7.5 超短脉冲激光辐照半导体材料引起的热和力学损伤
7.5.1 超短脉冲激光对硅的热和力学损伤
7.5.2 超短脉冲激光辐照其他半导体材料产生的热和力学损伤
7.5.3 超短脉冲激光辐照半导体材料产生的周期状波纹
7.6 超短脉冲激光损伤半导体材料的理论模型简介
7.6.1 超短脉冲激光对半导体材料的损伤模型
7.6.2 超短脉冲激光辐照下半导体材料的超快动力学响应
参考文献
附录A 非各向同性介质中介电张量与折射率
附录B 特殊函数
附录C 一些积分表达式的计算
附录D 能量平衡模型中主要物理量的推导
附录E 式(4—102)的推导
附录F CCD输出波形参考电压值的推导
附录G 体沟道CCD包含信号电荷状态的一维解析模型
附录H 重频激光引起CCD视频图像中次光斑漂移运动规律
附录I 动态电子快门中主光斑振荡与稳定的条件分析

作者介绍

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文摘

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序言

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《光之刻印：材料科学与电子器件的激光交互》 一、 引言：光与物质的深刻对话 自古以来，人类便对光与物质之间的相互作用充满了好奇与探索。从孩童手中放大镜点燃枯叶的奇妙，到近代工业中激光切割与焊接的精准高效，光，作为一种基本而强大的能量形式，其作用已渗透到我们生活的方方面面。尤其是在日新月异的电子信息时代，构成现代文明基石的半导体材料与器件，其性能的提升、加工的精细化以及新功能的实现，都越来越依赖于对光与物质相互作用机制的深刻理解与巧妙运用。 本书《光之刻印：材料科学与电子器件的激光交互》便是在此背景下应运而生。它并非仅仅罗列已知的技术应用，而是致力于深入剖析光，特别是激光，与各类先进材料，特别是半导体材料，之间发生的物理、化学及相互作用的内在机理。通过对微观层面的理解，我们得以洞察宏观现象的根源，从而在材料设计、器件制造、性能优化以及前沿科学研究等多个维度，为读者提供一套系统而深入的理论框架与实践指导。本书旨在打破传统材料科学与器件工程的界限，将激光这一强大的“刻刀”与“探针”置于核心位置，揭示其如何重塑物质形态，赋予电子器件全新的生命力。 二、 激光的特性及其与材料作用的耦合 激光，以其高度的单色性、方向性、相干性和能量密度，成为了一种独特的物质加工与探测工具。本书的第一部分，将从基础理论出发，系统阐述激光的生成原理、关键参数（如波长、功率、脉冲宽度、重复频率等）及其可调控性。在此基础上，我们将详细探讨这些参数如何直接影响激光与物质相互作用的模式。 光吸收与能带理论： 激光能量如何被材料吸收，是后续一切效应的基础。我们将结合半导体材料的能带结构，深入分析不同波长激光的吸收特性，解释自由载流子吸收、缺陷吸收、激子吸收等关键机制。理解吸收过程，是预测和控制激光作用效果的第一步。 非线性光学效应： 当激光能量密度极高时，材料会表现出非线性光学响应，如二次谐波产生、自聚焦、光学击穿等。本书将探讨这些非线性效应在激光加工中的重要性，以及它们如何被用来实现特殊的材料改性或结构构建。 热效应： 激光能量吸收后，会转化为热能，导致材料温度升高。我们将详细分析激光诱导的瞬态加热、热传导、热膨胀以及相变（如熔化、蒸发、淬灭）等过程。理解热效应，是精确控制材料加工尺寸和形貌的关键。 电子激励与载流子动力学： 激光能够激发材料内部的电子跃迁，产生自由电子和空穴。本书将深入研究激光引发的载流子产生、复合、输运以及它们对材料电学和光学性质的影响。这对于理解激光对半导体器件性能的影响至关重要。 等离子体形成与演化： 在高能量激光辐照下，材料表面可能形成等离子体。本书将分析等离子体的产生机制、其与激光的相互作用以及等离子体对材料表面的刻蚀、溅射和沉积效应。 三、 激光在半导体材料改性与制备中的应用 激光作为一种高度精确的加工工具，在半导体材料的制备与改性方面展现出无与伦比的优势。本书的第二部分，将聚焦于激光在这一领域的具体应用，并深入解析其背后的作用机理。 激光退火与晶体生长： 激光退火是修复材料缺陷、提高载流子迁移率、实现掺杂激活的有效手段。本书将详细介绍不同类型激光（如准分子激光、飞秒激光）在退火过程中的特点，以及它们如何实现对材料微观结构的精确调控，例如用于多晶硅薄膜的激光重结晶，以提升其在柔性电子中的性能。同时，也将探讨激光辅助的晶体生长技术，如激光熔融生长，及其在高品质半导体单晶制备中的潜力。 激光掺杂与激活： 传统的掺杂技术往往伴随着高温工艺，容易引起材料损伤。激光掺杂能够实现局部、精确的掺杂，并有效激活掺杂元素，提高器件性能。本书将分析激光掺杂过程中掺杂离子的扩散、激活机理，以及如何通过控制激光参数实现复杂掺杂廓形的构筑。 激光诱导表面改性： 激光能够通过刻蚀、熔覆、烧蚀等方式，实现半导体材料表面的形貌、粗糙度、成分和相结构的调控。本书将探讨激光微细加工技术，如激光直写、激光烧蚀，如何用于制备微纳结构、功能化表面，以及它们在传感器、光电器件等领域的应用。例如，利用飞秒激光在硅表面构建超疏水或超亲水结构。 激光诱导薄膜沉积（LID）： LID技术利用激光能量诱导前驱体分解或蒸发，实现特定材料薄膜的沉积。本书将分析LID过程中的化学反应、等离子体动力学以及薄膜的生长机理，并探讨其在制备高质量氧化物、氮化物等半导体薄膜中的应用。 激光制造功能材料： 激光不仅能够改性现有材料，还能通过精确的能量输入，直接“打印”出具有特定功能的新型材料。本书将介绍激光3D打印在构建复杂半导体器件结构、制备异质结材料等方面的最新进展，以及激光如何诱导材料形成纳米结构或特殊相，从而实现新颖的光电特性。 四、 激光辐照对半导体器件性能的影响与调控 半导体器件是现代电子信息技术的核心。激光辐照不仅可以用于器件的制造，更会对器件的性能产生深远的影响。本书的第三部分，将深入探讨激光辐照与半导体器件之间的复杂关系，以及如何利用这种关系来优化器件性能或开发新型器件。 激光对载流子行为的影响： 激光辐照会直接改变器件内部的载流子浓度、分布和迁移率。我们将分析激光激发的瞬态载流子对器件响应速度、击穿电压、漏电流等方面的影响。例如，在光探测器中，激光产生的载流子直接决定了其光电转换效率。 激光诱导缺陷与性能退化： 不当的激光辐照可能导致材料内部产生新的缺陷，例如点缺陷、位错、界面态等，这些缺陷会成为载流子陷阱或复合中心，从而导致器件性能的退化，如阈值电压漂移、跨导下降、稳定性变差等。本书将详细分析不同类型激光辐照引起的缺陷类型、形成机理以及其对器件可靠性的影响。 激光修复与性能提升： 另一方面，精确控制的激光辐照也可以用于修复器件中的损伤，或优化器件的性能。例如，利用激光对栅介质进行退火，可以降低界面态密度，提高器件的可靠性。本书将介绍激光在器件修复、性能调控方面的具体案例。 激光作为测试与表征工具： 激光还可以作为一种强大的非接触式测试与表征工具，用于探测器件内部的载流子动力学、缺陷分布、电势分布等。本书将介绍光电导衰减（PLQY）、瞬态光电导（TPV）、扫描激光显微镜（SLM）等基于激光的表征技术，以及它们如何帮助我们理解器件的工作机制和失效机理。 激光在新型半导体器件开发中的作用： 随着半导体技术向着更高集成度、更低功耗、更多功能方向发展，激光在其中扮演着越来越重要的角色。本书将探讨激光在制造纳米线、量子点、二维材料等新型半导体材料器件中的应用，以及如何利用激光实现器件的精确构筑、特性优化，从而推动光计算、光通信、柔性电子等前沿技术的发展。 五、 未来展望：激光与材料科学的融合之路 本书的最后一章，将聚焦于激光与材料科学、电子器件领域交叉融合的未来发展趋势。 超快激光的极致应用： 飞秒、阿秒激光的出现，使得我们能够以前所未有的时间尺度观察和控制物质的动态过程。本书将探讨超快激光在研究电子动力学、原子动力学、相变动力学等基础科学问题中的巨大潜力，以及它们在超快信息处理、新原理器件开发中的应用前景。 智能材料与激光响应： 随着智能材料的不断涌现，激光作为一种精确的能量输入方式，将能够触发材料发生可逆或不可逆的响应，从而实现可控的形变、颜色变化、电学性质改变等。本书将探讨激光与形状记忆合金、光致变色材料、压电材料等智能材料的结合，以及它们在自修复、可重构器件中的应用。 理论模拟与实验协同： 现代科学研究越来越依赖于理论模拟与实验的紧密结合。本书将强调计算模拟在预测激光与材料相互作用、指导实验设计方面的重要性，并探讨如何通过机器学习等人工智能技术，加速对激光辐照效应的理解和优化。 可持续发展与绿色制造： 激光加工具有高精度、低能耗、少废弃物的优点，符合绿色制造的要求。本书将展望激光技术在推动半导体产业可持续发展中的作用，以及如何通过激光技术实现更环保、更高效的材料制备与器件制造。 六、 结语 《光之刻印：材料科学与电子器件的激光交互》旨在为读者提供一个全面、深入且富有启发性的视角，去理解光，特别是激光，如何与构成我们数字世界的基石——半导体材料与器件——发生深刻的相互作用。我们希望通过本书，能够激发更多科研人员和工程师的创新思维，推动相关领域的研究和技术进步，共同探索光赋予物质的无限可能，为构建更美好的未来贡献力量。

评分☆☆☆☆☆

作为一个对纳米技术和光子学交叉领域充满好奇的科研爱好者，我一直关注着激光技术在微纳制造领域的应用前景。半导体材料，作为构建现代电子和光电子器件的核心，其与激光的互动无疑是这个交叉领域中一个至关重要的环节。我非常期待这本书能够提供一个全面而深入的视角，不仅介绍激光辐照对半导体材料的基本物理化学影响，例如光致载流子产生、表面改性、掺杂、缺陷形成等，更希望它能详细探讨这些效应在制备高性能、复杂结构的半导体器件中的具体应用。我想了解激光如何被用于精确地图案化材料，如何实现无掩模的光刻，如何在纳米尺度上构建出具有特定光学或电学特性的结构。书中是否会涉及例如飞秒激光在超快过程中的应用，以及它如何在材料内部产生独特的亚稳态结构或相干现象？另外，对于一些新型的半导体材料，比如二维材料（石墨烯、过渡金属硫化物等）在激光作用下的光电特性变化，是否也有深入的探讨？这本书的潜在价值在于它能够启发新的研究思路，推动半导体微纳制造技术的边界。

评分☆☆☆☆☆

我是一名在半导体行业一线工作的工程师，日常工作涉及新工艺的开发和生产问题的解决。在工作中，我们经常会遇到一些与激光加工相关的技术挑战，比如如何精确控制激光参数以实现最佳的加工效果，如何避免因激光辐照引起的材料损伤或性能下降。因此，一本能够深入剖析激光辐照在半导体材料和器件领域影响的专业书籍，对我来说具有非常高的实用价值。我特别希望能在这本书中找到关于各种半导体材料（包括但不限于硅基、化合物半导体，甚至一些宽禁带半导体如氮化镓、碳化硅）在不同波长、功率、脉冲宽度激光作用下的详细反应机理。比如，不同激光参数组合下，材料可能出现的吸收、散射、透射、反射等现象，以及由此产生的热扩散、应力分布、甚至相变等过程。此外，我更关心这些微观效应如何转化为宏观的器件性能变化，比如电阻率、载流子浓度、迁移率、击穿电压、漏电流等等。如果书中能提供一些量化的模型和仿真方法，帮助我们预测激光加工参数对器件性能的影响，或者指导我们如何优化工艺以规避潜在的风险，那就太有帮助了。这本书的出现，无疑能为我这样的从业者提供宝贵的参考和理论支持。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计就吸引了我，简约而又不失专业感，深邃的蓝色背景搭配着银白色的书名，仿佛预示着这本书将带领读者进入一个微观而又充满活力的世界。作为一名对半导体技术有着浓厚兴趣的在校学生，我一直渴望能有这样一本能够系统梳理激光与半导体材料相互作用的著作。我期望它能从最基础的原理讲起，比如激光的基本特性、光与物质的相互作用机制，然后逐步深入到不同类型的半导体材料，如硅、砷化镓等，在激光辐照下会发生怎样的物理和化学变化。我想了解激光能量是如何被吸收、如何引发电子跃迁、如何产生热效应、甚至如何改变材料的晶格结构。更进一步，我也期待书中能详细阐述这些效应在半导体器件制造中的实际应用，例如激光退火、激光刻蚀、激光焊接等等，以及这些工艺是如何影响器件的性能和可靠性的。如果书中还能包含一些前沿的研究进展，例如新型半导体材料的激光处理技术，或者在量子计算、光通信等新兴领域中的激光应用，那就更完美了。这本书的吸引力在于它连接了基础物理原理与尖端工程应用，为我打开了一扇理解半导体器件精密制造背后科学原理的大门。

评分☆☆☆☆☆

我是一位退休多年的老工程师，曾经在电子元件厂工作了几十年，亲历了半导体技术从萌芽到蓬勃发展的整个过程。回首往事，激光技术在半导体制造领域的应用，特别是近年来飞速的发展，让我感到非常惊叹。虽然我已经离开了工作岗位，但对这个行业的关注从未停止。我希望这本书能够像一位老朋友一样，用一种清晰易懂、又不失严谨的语言，回顾和梳理激光在半导体材料和器件领域的发展历程，以及其带来的重要变革。从早期的激光退火、激光切割，到如今更为精密的激光直写、激光诱导化学气相沉积等工艺，我想了解这些技术的演进是如何一步步推动半导体器件向着更小、更快、更强大的方向发展的。书中是否能包含一些经典的案例研究，讲述某个重要的半导体器件是如何通过激光技术实现突破的？同时，我也很好奇，随着激光技术的不断进步，未来半导体制造又会呈现出怎样新的可能性？这本书是否能为我这样的读者提供一个观察行业发展脉络的窗口，让我能够跟上时代的步伐。

评分☆☆☆☆☆

我对这本书的兴趣源于其题目所蕴含的科学探索精神。作为一名跨学科研究的学者，我深知材料科学与工程、物理学、光学以及信息科学之间的紧密联系。激光与半导体材料的相互作用，恰恰是这些学科交汇的核心区域之一。我希望这本书能够提供一个具有深度的理论框架，系统地阐述激光辐照对半导体材料宏观和微观特性的影响。这包括但不限于激子动力学、自由载流子动力学、非线性光学效应、表面等离激元共振以及激光引起的相变动力学等。我特别关注书中是否能对不同半导体材料（如III-V族、II-VI族、氧化物半导体、有机半导体等）在激光作用下的独特响应机制进行比较分析。此外，对于激光诱导的材料改性在提升半导体器件性能方面的作用，例如提高发光效率、降低漏电流、增强载流子输运能力等方面，是否能有详实的论述和实验证据支持？我期望这本书能够为我提供丰富的研究素材和理论指导，帮助我在相关领域做出更具创新性的贡献，并推动该领域的基础理论和应用研究向前发展。