毫秒激光对硅及硅基光电探测器损伤机理研究

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。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究意义

1．3 研究现状

1．3．1 激光致单晶硅温升过程研究进展

1．3．2 激光致硅材料产生热弹塑性损伤研究进展

1．3．3 激光对光电探测器损伤研究进展

1．3．4 激光对CCD损伤研究进展

1．4 本文主要工作

2 毫秒激光致单晶硅温升的实时测试与数值模拟

2．1 红外测温原理与特性

2．1．1 红外热辐射的基本规律

2．1．2 红外测温的基本方法

2．2 毫秒激光辐照单晶硅温升过稗的宴验涮试

2．2．1 实验装置

2．2．2 发射率的选取

2．2．3 实验结果

2．3 毫秒激光辐照单晶硅温升过程的数值模拟

2．3．1 数值计算模型

2．3．2 材料参数

2．3．3 模拟结果

2．4 讨论

2．5 本章小结

3 毫秒激光致(100)单晶硅产生塑脆性损伤

3．1 晶体塑性理论

3．1．1 晶体塑性变形几何学

3．1．2 晶体本构方程

3．1．3 率相关硬化模型

3．2 毫秒激光致(100)单晶硅应力损伤的数值模拟

3．2．1 数值计算模型

3．2．2 温度场计算

3．2．3 热应力场计算

3．2．4 硅的力学参数

3．2．5 FCC滑移系

3．3 数值计算结果

3．3．1 不同滑移系的剪切应力在上表面的分布

3．3．2 不同滑移系的剪切应力在硅片体内的分布

3．3．3 各个滑移系剪切应力的比较

3．3．4 塑性应变在表面和深度的分布

3．3．5 结论

3．4 毫秒激光辐照(100)单晶硅的表面损伤形貌实验

3．4．1 实验结果

3．5 本章小结

4 毫秒脉宽激光辐照硅PIN光电探测器的数值模拟与实验验证

4．1 光伏探测器基本原理

4．1．1 光电转换

4．1．2 光伏探测器的工作原理

4．2 毫秒激光辐照硅PIN光电探测器的数值模拟

4．2．1 数值计算模型

4．2．2 材料参数

4．3 数值模拟结果

4．3．1 温度场

4．3．2 应力场

4．3．3 离子浓度重分布场

4．3．4 损伤阈值的讨论

4．3．5 器件结构对损伤阈值的影响

4．5 毫秒激光辐照硅PIN光电探测器的实验验证

4．5．1 实验装置

4．5．2 结果与讨论

4．6 本章小结

5 毫秒激光致使CCD功能性损伤机理

5．1 CCD的基本结构和工作原理

5．1．1 MOS型CCD结构

5．1．2 CCD工作原理

5．2 毫秒激光辐照CCD的数值模拟

5．2．1 数值计算模型

5．2．2 热控制方程

5．2．3 弹塑性控制方程及有限元解法

5．2．4 材料参数

5．3 数值计算结果与分析

5．3．1 温度场分析

5．3．2 应力场分析

5．3．3 微透镜的影响

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和出版著作情况

攻读博士学位期间参加的学术会议

攻读博士学位期间参加的科学研究情况

攻读博士学位期间学术成果获奖情况