不同波长脉冲激光与半导体材料HgCdTe和Si相互作用研究

摘要

激光与物质相互作用一直是人们非常感兴趣的课题。近几十年来，激光技术迅猛发展，现在已经渗透进自然科学的各个领域，加快了科学研究的步伐。而在科学研究过程中发现的各种新现象新内容，又极大地促进了激光技术的发展。激光与物质相互作用是物理学最重要的研究课题之一，它不仅在理论研究领域受到人们的普遍关注，而且在激光加工、材料制备以及军事武器的制备等实际应用中已经得到了广泛应用。 碲镉汞(HgCdTe)和硅(Si)都在微电子学研究中占有重要地位。碲镉汞的出现，在相当大的程度上改变了光电探测器的发展面貌，它具有优良的性能，是目前国际上最好的红外探测材料，已被广泛应用于军事、工业和气象等领域。Si是微电子领域不可缺少的半导体材料，常用做光学系统中的滤光片、红外窗口以及基底材料和衬底材料。鉴于上述特点，HgCdTe和Si被广泛应用于军事上。但随着新型激光武器的运用和发展，用于军事上的各种探测器都面临着高功率激光武器打击的厄运。而准分子激光由于波长短，光子能量高，在未来的战争中高功率的准分子激光器有可能被列为主战激光武器之一。显然，研究准分子激光对典型的半导体材料HgCdTe和Si的破坏效应和损伤机理具有非常重要的现实性意义。因此，研究准分子强激光照射下HgCdTe和Si的表面损伤情况及其物理机制不仅有助于进一步深入理解激光与物质相互作用，而且还具有重要的战略意义。 本文用248nm准分子激光和1064nm激光辐射碲镉汞和硅表面，并用光学显微镜和扫描电镜对烧蚀表面进行了观察。分别对不同激光功率密度、不同脉冲个数以及不同背景气压下的表面烧蚀形貌进行了描述。分析了导致材料表面断裂的两种物理机制(热压断裂和蒸发引起的反冲压力造成的断裂)。发现10个脉冲作用时材料表面的液体溅射现象更加明显，并且液体溅射距离随背景气压降低而增加。另外，我们实验测得了碲镉汞的损伤阈值，结果表明碲镉汞损伤阈值随背景气压降低而增加。对248nm准分子脉冲强激光辐照的HgCdTe晶片表面进行了观察，观察到一些与红外波段内激光辐照HgCdTe晶片时大不相同的实验现象。研究表明，红外波段内1064nm激光辐照HgCdTe半导体材料的损伤机制主要为光热作用，而紫外波段248nm准分子激光对HgCdTe材料的损伤机制既包含光化学作用也包含光热作用。分析了准分子激光对晶体的机械破坏现象，同时对HgCdTe材料在激光辐照区的条纹产生机理进行了探讨，发现激光驱动声波理论模型比光学模型和热导波模型能更好地解释HgCdTe晶体表面的条纹现象。 对248nm准分子强激光辐照HgCdTe和Si晶片的表面损伤形貌和损伤过程进行了对比分析，实验结果表明，在248nm准分子激光作用下：HgCdTe材料的辐照区边缘孔壁直立性好，几乎观察不到由于热效应导致的结果；而在Si材料辐照区边缘，孔壁无直立性，且边缘有大量的喷溅物，激光作用后的Si材料表面产生液体溅射现象。激波引起的反冲压力导致了HgCdTe材料辐照区底面出现了剥离的机械损伤；而导致了Si材料辐照区底面出现了裂纹；在HgCdTe和Si两种材料表面都产生了表面周期性结构。HgCdTe材料主要表现为解离剥蚀破坏和熔融烧蚀破坏，准分子激光对其损伤机理既包含光化学作用也包含光热作用；而Si材料主要表现为在热作用下的熔融烧蚀破坏，准分子激光对其损伤机理主要为光热作用。 论文中用光学多道分析仪(OMAIV)探测了激光照射碲镉汞产生的等离子体发射谱。从发射谱中可以发现等离子体在激光照射靶面后很短的时间内产生，并辐射出强的连续谱，且连续谱随时间延迟而减弱，随离靶距离的增大而减弱。我们还发现等离子体发射谱随时间延迟可分为连续辐射、连续辐射加离子辐射和原子特征辐射三个阶段。用光谱诊断法得出了HgCdTe激光等离子体的电子密度和温度，它们随延迟时间的变化趋势是类似的，都随时间的延迟先快速下降，而后下降速度变缓；在低气压下的衰减速度大于高气压下的速度。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1激光与物质相互作用在实际中的应用

1.2激光与物质相互作用的研究背景

1.3半导体材料HgCdTe和Si的研究意义及研究进展

1.4本论文的主要内容及安排

第二章准分子激光的特点及其损伤机理

2.1准分子激光器的激光光束分析

2.2准分子激光的传输特性

2.3准分子激光与材料相互作用机理

第三章激光与固体靶相互作用的理论基础和靶材料性质的分析

3.1激光与材料作用的过程与机理

3.2热传导理论

3.3激光与固体靶相互作用的一维热传导理论

3.4靶材参数对激光和物质作用的影响

第四章不同波长激光对HgCdTe损伤机理的比较

4.1实验装置和实验方法

4.2不同波长的激光烧蚀形貌比较

4.3小结

第五章准分子激光对半导体材料HgCdTe和Si的损伤实验比较

5.1激光辐照区表面损伤形貌的对比分析

5.2激光辐照区边缘的对比分析

5.3激光辐照区底部的对比分析

5.4激光辐照区周期性结构的对比分析

5.5损伤机理分析

5.6小结

第六章HgCdTe激光等离子体发射谱的产生机制和时间演化特性

6.1实验装置

6.2实验结果分析

6.3小结

第七章结论

参考文献

攻读硕士学位期间完成的论文

致谢