Simulation of laser interaction with InSb photodetector in logos software.pdf Введение Проблеме исследования влияния интенсивного лазерного излучения (ЛИ) на функционирование полупроводниковых фотоприемников, в том числе матричных (МФП), посвящен ряд работ [1- 4], носящих преимущественно экспериментальный характер. При этом для обеспечения достоверности получаемых закономерностей необходим набор достаточной статистики, для чего необходимо проведение облучения в каждом режиме единиц-десятков однотипных образцов МФП, что, как правило, оказывается неприемлемым по затратам. В условиях указанных ограничений наиболее эффективным методом исследований является имитационное моделирование последствий воздействия ЛИ на полупроводниковые МФП. Этот подход предполагает разработку тепловой модели МФП в поле интенсивного ЛИ, учитывающей энергетические, временные, спектральные и пространственные параметры воздействующего излучения, топологию матрицы, структуру чувствительных элементов, температурные зависимости оптических и теплофизических характеристик фоточувствительного материала и т.д. Результатом имитационного моделирования является рассчитанное температурное поле, возникающее и эволюционирующее в МФП во время и после окончания воздействия ЛИ, анализ пространственной и временной структуры которого позволяет судить о возникающих эффектах. Очевидным требованием, предъявляемым к такой модели, является её адекватность, подтверждаемая сходимостью результатов теоретических оценок и экспериментальных исследований, проведенных для одних и тех же условий. Расчет температурного поля, как правило, основан на решении нестационарного трехмерного уравнения теплопроводности, дополненного начальными и граничными условиями [5-8], позволяющего прогнозировать объемные и поверхностные эффекты нагрева многослойной структуры. Всесторонний учет особенностей конструкции МФП, взаимодействия ЛИ с материалами МФП существенно усложняет расчет, который возможен только численными методами в конечно-разностной форме с использованием обеспечивающих требуемую детализацию сеток. Это, в свою очередь, приводит к существенным временным затратам на получение результатов расчетов, которые могут быть скомпенсированы распараллеливанием алгоритма и использованием высокопроизводительных и суперЭВМ. К числу известных средств автоматизации имитационного моделирования следует отнести пакет программ инженерного анализа и суперкомпьютерного моделирования ЛОГОС разработки ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» (г. Саров), реализующий численные алгоритмы решения задач аэро-, гидро- и газодинамики, турбулентного перемешивания, статической и динамической прочности, разрушения и деформации, а также тепломассопереноса и излучения [9]. Пакет ЛОГОС характеризуется современным уровнем применяемых физико-математических моделей и методов, верификацией по результатам десятков тысяч расчетов практических задач и возможностью использования суперВМ с ускорением расчетов до 10 000 раз. Целью данной работы является прогнозирование поведения InSb МФП в поле интенсивного ЛИ на основе имитационной модели, разработанной в пакете программ ЛОГОС. Для достижения указанной цели в пакете ЛОГОС реализована трехмерная модель многослойной структуры InSb МФП, воздействующего ЛИ, условий облучения; проведен выбор рациональной расчетной сетки; осуществлены тестовые расчеты с использованием разработанной имитационной модели с визуализацией пространственной структуры расчетного температурного поля в различные моменты времени; проведен анализ полученных результатов и их сопоставление с известными экспериментальными данными. Имитационная модель InSb-матричного фотоприемника в поле интенсивного лазерного излучения, реализованная в пакете ЛОГОС В качестве объекта исследований выбран фрагмент матрицы фотодиодов на основе InSb размерностью 32×32 элементов размером 25×25 мкм каждый с шагом 10 мкм. Фоточувствительные элементы сформированы на Si-подложке толщиной 350 мкм при толщине InSb фоточувствительного слоя 25 мкм, в качестве контактов фоточувствительных элементов с мультиплексором используются индиевые столбы поперечным размером 15 мкм и высотой 8 мкм. Трехмерные модели элемента InSb МФП и собственно InSb МФП показаны на рис. 1 и 2. а б в Рис. 1. 3D-модель элемента InSb МФП, виды сбоку (а), снизу (б), в изометрии (в) Рис. 2. Трехмерная модель InSb МФП В качестве граничных условий приняты: теплоизолированные стенки для боковых поверхностей чувствительных элементов; излучающая в окружающую среду верхняя (облучаемая ЛИ) поверхность Si-подложки; отдающая в мультиплексор тепло конвективным тепловым потоком нижняя поверхность In-столба со специально подобранным значением коэффициента теплоотдачи, обеспечивающим охлаждение МФП от 300 до 80 К за 5 мин. Последнее граничное условие моделирует работу холодильника Стирлинга с типичными характеристиками. В качестве начальных условий принято равномерное распределение температуры в МФП Т0 = = 80 К. Для численных расчетов выбрана сетка с переменным пространственным шагом, исходя из достижения достаточной детализации и требуемой точности расчетов, с одной стороны, и приемлемого времени счета - с другой. По толщине каждый элемент разбивался: в слое Si-подложки на 10 шагов; в InSb-слое и в In-столбах на 5 шагов каждый. В поперечном сечении все элементы МФП разбивались на 3 шага в каждом измерении. Трехмерная модель элемента МФП с нанесенной расчётной сеткой показана на рис. 3. Рис. 3. Трехмерная модель элемента МФП с нанесенной расчётной сеткой Реализация расчетной имитационной модели В расчётах моделировалось воздействие на InSb МФП, освещаемую через Si-подложку импульсным ЛИ с длиной волны 2.94 мкм и равномерным распределением энергии в сечении пучка, полностью накрывающего один элемент в центре МФП площадью 1.225•10-5 см2. Моделирование проводилось для моноимпульса ЛИ с энергией 3.5 мДж при длительности воздействия 200 мкс и форме импульса «строб». Таким образом, плотность мощности лазерного излучения, падающего на облучаемый элемент МФП, составила ~ 1.4 МВт/см2. Результаты расчетов, выполненных с использованием пакета ЛОГОС, показаны на рис. 4. Заметим, что при построении термограмм для большей наглядности использовалась нелинейная цветовая шкала. а Рис. 4. Примеры термограмм InSb МФП в поле интенсивного ЛИ, полученные на основе результатов имитационного моделирования с использованием пакета ЛОГОС: а - в слое InSb на границе с Si-подложкой; б - со стороны In-столбов; в - в профиле МФП в районе его центра (см. также с. 120) б в Рис. 4. Окончание В дальнейшем проводилось имитационное моделирование воздействия на InSb МФП лазерного излучения с различными энергетическими и временными характеристиками. Это позволило сформировать банк термограмм, аналогичных показанным на рис. 4, анализ которых выявил следующие закономерности. Очевидно, что наиболее существенный нагрев получает облучаемый элемент МФП, при этом чем выше энергия импульса при фиксированной его длительности, тем выше температура нагрева (рис. 5). Поглощение ЛИ по толщине слоя InSb подчиняется закону Бугера, при этом градиент температуры обусловлен также теплопроводностью и стоком тепла в мультиплексор через In- столбы. Чем выше значение коэффициента теплоотдачи, тем существенней градиент температуры в фоточувствительном слое. Важным результатом имитационного моделирования является установление эффекта перетекания тепла в направлении, поперечном к падающему излучению вследствие явления теплопроводности, причем на размеры области растекания тепла существенно влияет величина коэффициента теплоотдачи через In-столбы и продолжительность облучения. Рис. 5. График зависимости температуры облучаемого и ближайшего к нему фоточувствительного элемента МФП от времени Результаты расчетов показывают, что при концентрации ЛИ на одном элементе при плотности мощности ~ 0.8 МВт/см2 через 12 мс происходит нагрев всего МФП до температуры выше 150 К, при которой уровень тепловых шумов в фоточувствительном слое InSb возрастает до значения, не позволяющего ему регистрировать ИК-излучение. При этом температура облучаемого элемента к этому моменту времени достигает 445 К, что существенно меньше температуры плавления InSb. Кроме того, нагретая область InSb-слоя приводит к нагреву Si-подложки в направлении, противоположном падающему ЛИ. Таким образом, при интенсивных режимах воздействия ЛИ нагретая подложка сама становится источником ИК-излучения и препятствует нормальной регистрации полезного сигнала, экранируя его. Выполненные расчеты показывают, что даже при режимах воздействия ЛИ, не приводящих к деградации облучаемого фоточувствительного элемента, может достигаться температура, приводящая к нарушению нормального функционирования МФП, что подтверждается результатами экспериментальных исследований [10-12]. Заключение Разработанная имитационная модель может быть использована для оценки оптической стойкости InSb МФП и прогнозирования поведения оптико-электронных систем на их основе в поле интенсивного ЛИ. Пакет ЛОГОС дает возможность разработать аналогичные модели и для других типов фотоприемников для исследования процессов их функционирования в различных условиях. Важным преимуществом использования пакета для решения подобных задач является возможность использования суперЭВМ, что позволяет распараллелить ресурсоемкий численный алгоритм и за приемлемое время получить результаты расчета с высокой степенью детализации и точности.

Скачать электронную версию публикации