發(fā)布時(shí)間：2017-12-21 03:22

  本文關(guān)鍵詞：短脈沖激光對(duì)硅及硅基光電器件的損傷效應(yīng)與機(jī)理　出處：《中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：本論文擬開展短脈沖激光對(duì)硅材料及硅基光電器件的損傷效應(yīng)和機(jī)理研究,并對(duì)損傷過程和機(jī)理形成一個(gè)系統(tǒng)而完整的認(rèn)識(shí),從而為激光加工、激光防護(hù)以及相關(guān)工程應(yīng)用提供依據(jù)。論文首先在緒論中討論了超短脈沖激光技術(shù)、硅材料應(yīng)用以及硅基器件的進(jìn)展,并較為詳細(xì)地綜述了激光輻照效應(yīng)研究領(lǐng)域的進(jìn)展,然后從激光輻照材料到輻照結(jié)構(gòu)的基本思路展開相關(guān)研究。解決了超短脈沖與晶體硅的相互作用問題,進(jìn)而在材料損傷機(jī)理清晰的情況下分析了硅基器件的損傷過程及機(jī)理。詳細(xì)工作內(nèi)容如下:1)首先,理論上推導(dǎo)了基于密度泛函理論的超快激光與硅的半經(jīng)典相互作用模型,并結(jié)合宏觀的介電常數(shù)變化特性分析了飛秒激光損傷硅的物理過程。進(jìn)一步采用基于電子激發(fā)、俄歇復(fù)合以及雙光子吸收等過程的雙溫模型唯象理論研究了皮秒、飛秒脈沖激光與晶體硅的相互作用過程。著重分析了“非熱損傷”的過程及機(jī)理,獲得了晶體硅的熱損傷、“非熱”損傷過程,最后討論了多脈沖積累損傷過程�！胺菬帷睋p傷機(jī)理可理解為過量激發(fā)載流子造成的半導(dǎo)體金屬化相變過程。在100fs、800nm單脈沖輻照條件下的損傷閾值約0.25J/cm2,熱損傷貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)高于非熱損傷貢獻(xiàn)率。入射激光能量密度高于0.53J/cm2時(shí)“非熱”損傷貢獻(xiàn)為主,此時(shí)損傷過程從皮秒降低到100fs內(nèi)完成,與熱損傷的電子、晶格時(shí)間演化過程顯著不同。進(jìn)一步研究了脈沖寬度、多脈沖積累等因素對(duì)損傷效果的影響。當(dāng)兩個(gè)激光脈沖間隔小于100ns時(shí)會(huì)發(fā)生熱積累效應(yīng),并顯著降低激光損傷閾值。第一個(gè)激光脈沖引起的電子密度變化對(duì)損傷貢獻(xiàn)較小;而第一個(gè)激光脈沖導(dǎo)致的晶格溫升將進(jìn)一步導(dǎo)致高密度電子激發(fā)以及晶格的進(jìn)一步溫升,對(duì)損傷起主要貢獻(xiàn)。所獲得的理論分析結(jié)果與公開報(bào)道的反射率實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。2)利用光譜儀對(duì)激光損傷材料表面產(chǎn)生的熒光進(jìn)行光譜分析,得到材料的損傷閾值。利用飛秒激光誘導(dǎo)硅等離子體光譜討論了損傷閾值和多脈沖損傷機(jī)理兩個(gè)問題。利用飛秒單脈沖激光照射Si和Si O2/Si兩種樣品,探測(cè)的波長(zhǎng)為Si(I)390.55 nm譜線,獲得了這兩種樣品在燒蝕閾值附近光譜的輻射強(qiáng)度隨著激光能量密度的變化關(guān)系,并對(duì)光譜的輻射強(qiáng)度進(jìn)行線性擬合,近似地得到了Si和Si O2/Si兩種樣品在飛秒激光照射下的損傷閾值分別為0.86 J/cm2和1.11 J/cm2。利用雙波長(zhǎng)飛秒雙脈沖激光誘導(dǎo)硅產(chǎn)生等離子體輻射,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的硅等離子體輻射強(qiáng)度隨著雙脈沖時(shí)間間隔的變化而變化。與同一波長(zhǎng)的飛秒激光雙脈沖作用下不同,在坐標(biāo)軸兩邊達(dá)到最大輻射強(qiáng)度的時(shí)間是不同的。當(dāng)400 nm的激光早于800 nm的光到達(dá)樣品表面時(shí),輻射強(qiáng)度的增加是迅速的,同時(shí)輻射強(qiáng)度的衰減也是比較快的。對(duì)于較長(zhǎng)的時(shí)間間隔(±300 ps),加強(qiáng)比為0.5,雙波長(zhǎng)的飛秒雙脈沖激光對(duì)產(chǎn)生的等離子體輻射加強(qiáng)率更低。3)較為系統(tǒng)地開展了重頻、短納秒/皮秒激光對(duì)行間轉(zhuǎn)移型電荷耦合器件的損傷實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)方法采取器件直接讀出、掃描電鏡以及電子學(xué)等途徑結(jié)合硅材料的損傷機(jī)理和過程分析器件損傷效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)中引入可激光光斑測(cè)量的二階矩理論提高損傷閾值測(cè)量精度。并利用轉(zhuǎn)臺(tái)控制到達(dá)光電探測(cè)器件的脈沖數(shù)量和脈沖之間的時(shí)間間隔精確控制多脈沖積累過程。最后綜合利用損傷效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了損傷機(jī)理。1.5ns、400ps千赫茲激光條件下,器件功能性損傷閾值為13.6~121m J/cm2,顯著小于單脈沖損傷閾值263~1146m J/cm2。實(shí)驗(yàn)表明存在兩種顯著不同的損傷機(jī)理。其一、多個(gè)脈沖到達(dá)CCD靶面同一位置的損傷或致盲具有積累效應(yīng),多個(gè)脈沖積累損傷能夠顯著降低線損傷和全靶面損傷閾值,降低程度與脈沖個(gè)數(shù)、激光到靶能量密度有關(guān)。在積累脈沖個(gè)數(shù)達(dá)到100個(gè)時(shí),多脈沖點(diǎn)損傷積累成線損傷的閾值與單脈沖線損傷閾值相比可顯著降低至其約1/3水平。多脈沖激光致盲機(jī)理與單脈沖致盲機(jī)理相同,均表現(xiàn)為器件垂直轉(zhuǎn)移電路間及地間的短路;其二、激光脈沖串到達(dá)CCD靶面的不同位置也能夠?qū)崿F(xiàn)器件的功能性失效,而這種器件功能性失效機(jī)理與單脈沖損傷顯著不同,僅表現(xiàn)為線損傷的疊加,并未造成器件的串行讀出電路短路或紊亂,功能性損傷閾值即對(duì)應(yīng)線損傷閾值(0.66 J/cm2),而顯著小于單次致盲閾值(1.5J/cm2~2.2J/cm2)。本文開展了超短脈沖激光與硅材料及硅基器件的相互作用理論和實(shí)驗(yàn)研究,在理論方面采用了較為先進(jìn)的基于密度泛函理論的半經(jīng)典近似理論、改進(jìn)雙溫模型理論,較系統(tǒng)地闡述了超短脈沖激光與硅的相互作用過程,在量子分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算、唯象雙溫理論方法上取得一定創(chuàng)新;在材料損傷和器件損傷實(shí)驗(yàn)中,采用了目前較前沿的泵浦探測(cè)技術(shù)分析動(dòng)態(tài)微觀測(cè)試技術(shù),實(shí)驗(yàn)手段上有一定進(jìn)展,在材料多層膜系界面損傷和多脈沖損傷機(jī)理方面有新的成果。在短脈沖激光對(duì)電荷耦合器件的多脈沖損傷效應(yīng)和機(jī)理研究方面,通過材料學(xué)和電子學(xué)方法分析了器件損傷的機(jī)理,在前人研究基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析了多脈沖、短脈寬激光損傷機(jī)理,具有較為明確的應(yīng)用價(jià)值。該研究對(duì)激光輻照效應(yīng)及理論研究方面有了較為深入的認(rèn)知,并可為激光加工以及相關(guān)光電工程應(yīng)用研究提供借鑒和參考。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN249

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本文編號(hào)：1314499