毫秒激光對硅及硅基光電探測器損傷機(jī)理研究.pdf

1、本文針對毫秒激光與硅及硅基光電探測器相互作用過程中的熱學(xué)和力學(xué)效應(yīng)展開研究，得到了毫秒激光致硅材料溫升、熱滑移產(chǎn)生、PIN光電管性能下降及CCD硬破壞等過程對應(yīng)的作用機(jī)理。
　　使用高速紅外測溫儀實(shí)時測試了毫秒激光輻照單晶硅的表面溫度，得到了不同入射激光能量照射下硅靶表面光斑中心溫度隨時間的變化曲線，分析了熔融、固化、氣化等相變演化過程;通過建立數(shù)值計(jì)算模型，采用有限元方法計(jì)算得到了瞬態(tài)溫度場，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，且很好地

2、解釋了實(shí)驗(yàn)過程出現(xiàn)的現(xiàn)象與相關(guān)信息。得到了硅靶的熔融損傷閾值，氣化損傷閾值，熔融持續(xù)時間和熔融深度等信息。
　　針對面心立方體結(jié)構(gòu)的硅晶體，建立了毫秒激光輻照(100)面單晶硅產(chǎn)生應(yīng)力損傷過程的三維數(shù)值模型。采用晶體塑性有限元方法計(jì)算得到了單晶硅發(fā)生熔融前12個滑移系的剪切應(yīng)力分布和熱塑性應(yīng)變分布。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明光斑內(nèi)熱滑移是由于滑移系的剪切應(yīng)力超過屈服極限而產(chǎn)生，并出現(xiàn)在單晶硅表面發(fā)生熔融前，與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果吻合;光斑外脆性裂紋

3、的產(chǎn)生是由于光斑內(nèi)的熱滑移提供許多起裂點(diǎn)導(dǎo)致應(yīng)力超過斷裂極限所致。
　　建立了毫秒激光輻照多層結(jié)構(gòu)PIN光電二極管的多物理場模型并計(jì)算了溫度場和摻雜離子濃度場，以及(110)面硅基底的熱應(yīng)力場。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，熱塑性變形產(chǎn)生的滑移缺陷和摻雜離子向深度方向擴(kuò)散是毫秒激光致使光電二極管電性能下降的兩個主要因素。實(shí)驗(yàn)測試了毫秒激光導(dǎo)致硅基PIN光電二極管的暗電流和響應(yīng)度等光電性能參數(shù)變化趨勢。綜合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)暗電流是性

4、能最先下降且為最敏感的光電參數(shù)，硅基底熱滑移導(dǎo)致的晶格位錯是其下降的主要原因。光電響應(yīng)度當(dāng)暗電流從nA增加到μA和表面發(fā)生嚴(yán)重?zé)崛廴诓畔陆?，主要源于減反膜的剝離和摻雜離子在熔融階段的重分布。
　　基于熱彈塑性理論，考慮CCD的陣列結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)建立了毫秒激光輻照CCD的三維數(shù)值模型并計(jì)算得到了CCD瞬態(tài)溫度場和熱應(yīng)力場。結(jié)果表明熱損傷和熱應(yīng)力損傷的耦合作用是毫秒激光損傷CCD的主要原因:PMMA材質(zhì)的微透鏡熔融，或石英材質(zhì)的微透鏡