Применение двухфотонного поглощения лазерного излучения

УДК 535.14(06)+004.056(06) Фотоника и информационная оптика
А.В. НЕЧАЕВ, О.Б. МАВРИЦКИЙ, А.Н. ЕГОРОВ1,
А.А. ПЕЧЕНКИН1, П.К. СКОРОБОГАТОВ1
Московский инженерно-физический институт (государственный университет),
1ЭНПО Специализированные электронные системы, Москва
ПРИМЕНЕНИЕ ДВУХФОТОННОГО ПОГЛОЩЕНИЯ
ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ
РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ ОТ ОТДЕЛЬНЫХ
ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
СТРУКТУРАХ
В работе анализируется возможность использования двухфотонного поглощения лазерного излучения для моделирования радиационных эффектов, возникающих при пролёте отдельных ядерных частиц в полупроводниковых структурах.
Представлены результаты исследования оптоэлектронных приборов на основе
полупроводников с шириной запрещённой зоны, большей энергии кванта лазерного излучения.
В последние годы излучение импульсных лазеров стало широко применяться для анализа сбоев и отказов изделий микроэлектроники, работающих в условиях повышенного радиационного фона или в космическом
пространстве. Это обусловлено способностью лазерных импульсов генерировать в полупроводниковых материалах неравновесные носители заряда (ННЗ) с концентрациями, достаточными для того, чтобы вызывать
электрическую реакцию полупроводниковых приборов, сравнимую с реакцией на пролёт отдельных ядерных частиц.
Поиск новых материалов для современной микроэлектроники заставляет постоянно корректировать методики, используемые при разработке
лазерных имитаторов радиационных эффектов.
Глубина проникновения лазерного излучения в полупроводник зависит от длины волны. При этом использование лазерного излучения с
большим коэффициентом поглощения в исследуемом материале приводит
к неравномерному распределению по глубине генерации ННЗ, существенно отличающемуся от пространственного распределения ННЗ при
радиационном воздействии. При выборе хорошо проникающего лазерного
излучения достигается относительная равномерность по глубине, однако
большая часть излучения бесполезно поглощается в неактивных слоях
полупроводниковой структуры.
Наличие слоёв металлизации в интегральных схемах (ИС), непрозрачных для лазерного излучения, заставляет в некоторых случаях применять
ISBN 5-7262-0710-6. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2007. Том 15
115
УДК 535.14(06)+004.056(06) Фотоника и информационная оптика
геометрию облучения со стороны подложки. При этом излучение должно
предварительно пройти «толстый» неактивный слой, прежде чем оно попадёт в исследуемый приборный слой. И, хотя путём повышения интенсивности удаётся добиться желаемого эффекта, становится весьма сложной и неточной оценка вклада носителей, сгенерированных непосредственно в исследуемом приборном слое, в суммарный электрический отклик.
В данной работе рассматривается использование эффекта двухфотонного поглощения при облучении полупроводниковых структур сфокусированным излучением пикосекундного лазера как способ генерирования
ННЗ в полупроводниковых слоях с пространственным распределением,
близким к возникающему при пролёте отдельных ядерных частиц.
Как показано в работах [1, 2], если энергия кванта лазерного источника
подбирается меньше, чем ширина запрещённой зоны полупроводника, но
больше её половины, то:
 экспоненциальное затухание излучения по глубине отсутствует
ввиду «прозрачности» материала для используемой длины волны;
 генерация ННЗ за счёт двухфотонного поглощения происходит
преимущественно в области фокусировки, так как скорость генерации пропорциональна квадрату интенсивности излучения.
Поскольку вероятность многофотонных процессов пропорциональна
интенсивности излучения [3], данный метод может быть эффективно
применён с использованием лазеров ультракоротких импульсов.
Представлены результаты исследования электрической реакции оптоэлектронных приборов с p-n-переходом на основе GaAs, InP, ширина запрещённой зоны которых (около 1,4 эВ) соответствует условиям двухфотонного поглощения при использовании излучения неодимового пикосекундного лазера с длиной волны 1,055 мкм.
Список литературы
1. Subbandgap Laser-Induced Single Event Effects: Carrier Generation via Two-Photon Absorption / W. McMorrow, T. Lotshaw et. al. // IEEE Transactions on nucliar science. 2002. V.49.
№6.
2. Two-photon optical-beam induced current solid-immersion imaging of a silicon flip chip
with a resolution of 325 nm / E. Ramsay, N. Pleynet, D. Xiao, et. al. // Optics Letters. 2005. V.30.
N1. P.26-28.
3. Шапиро С. Сверхкороткие световые импульсы. М.: Мир. 1981.
116
ISBN 5-7262-0710-6. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2007. Том 15