毫秒激光对硅及硅基光电探测器损伤机理研究

发布时间：2017-01-02 18:13

  本文关键词：毫秒激光对硅及硅基光电探测器损伤机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

《南京理工大学》 2015年

毫秒激光对硅及硅基光电探测器损伤机理研究

李泽文  

【摘要】：本文针对毫秒激光与硅及硅基光电探测器相互作用过程中的热学和力学效应展开研究,得到了毫秒激光致硅材料温升、热滑移产生、PIN光电管性能下降及CCD硬破坏等过程对应的作用机理。使用高速红外测温仪实时测试了毫秒激光辐照单晶硅的表面温度,得到了不同入射激光能量照射下硅靶表面光斑中心温度随时间的变化曲线,分析了熔融、固化、气化等相变演化过程；通过建立数值计算模型,采用有限元方法计算得到了瞬态温度场,数值计算结果与实验结果吻合,且很好地解释了实验过程出现的现象与相关信息。得到了硅靶的熔融损伤阈值,气化损伤阈值,熔融持续时间和熔融深度等信息。针对面心立方体结构的硅晶体,建立了毫秒激光辐照(100)面单晶硅产生应力损伤过程的三维数值模型。采用晶体塑性有限元方法计算得到了单晶硅发生熔融前12个滑移系的剪切应力分布和热塑性应变分布。数值计算结果表明光斑内热滑移是由于滑移系的剪切应力超过屈服极限而产生,并出现在单晶硅表面发生熔融前,与实验测试结果吻合；光斑外脆性裂纹的产生是由于光斑内的热滑移提供许多起裂点导致应力超过断裂极限所致。建立了毫秒激光辐照多层结构PIN光电二极管的多物理场模型并计算了温度场和掺杂离子浓度场,以及(110)面硅基底的热应力场。数值计算结果表明,热塑性变形产生的滑移缺陷和掺杂离子向深度方向扩散是毫秒激光致使光电二极管电性能下降的两个主要因素。实验测试了毫秒激光导致硅基PIN光电二极管的暗电流和响应度等光电性能参数变化趋势。综合数值模拟和实验结果,我们发现暗电流是性能最先下降且为最敏感的光电参数,硅基底热滑移导致的晶格位错是其下降的主要原因。光电响应度当暗电流从nA增加到μA和表面发生严重热熔融才下降,主要源于减反膜的剥离和掺杂离子在熔融阶段的重分布。基于热弹塑性理论,考虑CCD的阵列结构和多层结构建立了毫秒激光辐照CCD的三维数值模型并计算得到了CCD瞬态温度场和热应力场。结果表明热损伤和热应力损伤的耦合作用是毫秒激光损伤CCD的主要原因：PMMA材质的微透镜熔融,或石英材质的微透镜断裂,都将降低CCD的感光度；而其绝缘层的断裂直接降低了CCD的击穿电压；硅基底的塑性变形增大了CCD的暗电流；铝膜的熔融导致CCD产生了“漏光”现象。进而发现毫秒激光致使CCD发生功能性破坏的机理是：遮光铝膜熔穿和绝缘层断裂的共同作用导致相邻多晶电极短接。本文的研究结果可供激光加工硅基半导体材料,以及激光对光电探测器损伤机理研究工作参考。

【关键词】：
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN24
【目录】：

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