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《南京理工大學(xué)》 2015年

毫秒激光對硅及硅基光電探測器損傷機理研究

李澤文  

【摘要】：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)的作用機理。使用高速紅外測溫儀實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)值計算模型,采用有限元方法計算得到了瞬態(tài)溫度場,數(shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合,且很好地解釋了實驗過程出現(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,與實驗測試結(jié)果吻合；光斑外脆性裂紋的產(chǎn)生是由于光斑內(nèi)的熱滑移提供許多起裂點導(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。實驗測試了毫秒激光導(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)值模擬和實驗結(jié)果,我們發(fā)現(xiàn)暗電流是性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�；跓釓椝苄岳碚�,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)的微透鏡斷裂,都將降低CCD的感光度；而其絕緣層的斷裂直接降低了CCD的擊穿電壓；硅基底的塑性變形增大了CCD的暗電流；鋁膜的熔融導(dǎo)致CCD產(chǎn)生了“漏光”現(xiàn)象。進(jìn)而發(fā)現(xiàn)毫秒激光致使CCD發(fā)生功能性破壞的機理是：遮光鋁膜熔穿和絕緣層斷裂的共同作用導(dǎo)致相鄰多晶電極短接。本文的研究結(jié)果可供激光加工硅基半導(dǎo)體材料,以及激光對光電探測器損傷機理研究工作參考。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN24
【目錄】：

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