半导体材料表面温度脉冲激光测量原理

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    式中q为电子－空穴产生的量子效率；P为单位面积入射的激光功率；R为材料表面的反射率；α(T_L)是与温度有关的吸收系数。随着电子－空穴对密度的增加，可形成电子－空穴等离子体，自由载流子的吸收逐步增大，于是产生了热电子和热空穴，进而使晶格点阵的温度上升。

　　半导体材料表面的温度特性与能量吸收的热力学过程有关，与在激光辐射能量传输的各种机理情况下等离子体产生机制密切相关。

　　半导体材料表面温度测量是颇为困难的，可以根据麦克斯韦－玻尔兹曼分布，通过测量飞行时间来确定材料表面点阵温度，用四极质谱议确定加热的半导体表面，例如Si表面蒸发的原子能量及蒸发速率，其值取决于Si材料表面温度。热表面蒸发的原子的速度分布遵守麦克斯韦分布，速率处于υ到υ+dυ之间的原子数为

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    式中υ²₀=2kT/m是最可几速度；C₁为常数。蒸发的原子从半导体材料表面经过时间t及距离l后到达四极质谱议的电离区。因此蒸发原子的速度v=l/t,于是可以将迈克斯韦速度分布转换成时间分布。此外，必须考虑四极质谱议的检测几率正比于原子在电离区内的时间。因此麦克斯韦分布应该乘以l/v，由此可得到分布函数f(t)为

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    在零四极质谱仪中f(t)达到最大值的时间为tmax，则可得到

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因此　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(5)

    由此可见，只要测得四极质谱仪检测的信号达到最大值的时间，就可以计算出半导体材料表面的温度。该法要求蒸发原子发射的时间间隔必须短于其飞行时间。

　　测量飞行时间提供了激光辐照时样品表面温度的信息。利用Q开关红宝石激光器的脉冲与0.1ns同步加速器辐照脉冲之间的时间延迟，可进行动力学分析。也就是说，通过在激光辐照下半导体亚表面应变的持续时间及分布深度的信息，用热膨胀理论对这些数据进行分析，可推算出亚表面的点阵温度。不同时刻的半导体亚表面的温度分布可以通过不同时刻测得的亚表面的应变分布再由热膨胀理论计算得到，由此可得出激光脉冲辐照多少时间后半导体表面温度开始降低。这些对于研究脉冲激光与半导体材料相互作用的机理、表面电子－空穴等离子体的形成和发展以及激光等离子体热力学都是至关重要的。