激光与绝缘体上硅材料相互作用中的波长效应研究

摘要

具有广阔应用前景的Silicon-on-Insulator(SOI)技术已经逐步成为取代现有体硅材料制备方法的核心技术之一。在对基于SOI材料的光电子学器件应用能力评估中，抗激光损伤能力是其中的一项重要指标。然而，以往关于SOI材料和器件的激光损伤效应与机理方面的研究较少，这大大限制了SOI材料在光电子学领域的应用。因此，本论文重点研究了不同波长（1064nm，532nm，355nm）脉冲体制（脉宽约10ns）激光对SOI材料的损伤阈值和作用机理。建立了SOI材料受激光辐照时的光热损伤模型，并进行了数值模拟和实验研究。
　　分析了不同制备方式对SOI材料性能的影响。对表层的晶体硅而言，由于禁带宽度小，容易通过本征吸收与波长0.3～1μm的激光耦合，吸收效率高。SiO2埋层的热导率低，这导致在SOI器件中产生的热量不易通过衬底传导出去，产生自加热效应，在研究和应用中应当注意到这个特点。
　　研究了激光与SOI材料的相互作用机制。光与半导体的相互作用是通过外加光电场驱动半导体内的电子振荡实现的，材料的能带结构决定了电子的本征频率，当激光频率与本征频率接近时，材料与激光的耦合效率比更高。表层硅晶体对激光的吸收系数总的来说随着波长的减小而增大，但是对某些波长会出现吸收峰，这是硅晶体固有物理结构的体现。当近紫外到红外波段的激光辐照硅晶体材料的相互作用时间大于光子、电子和声子子系统之间的弛豫时间，激光能量转化为晶体热能，加热深度受到吸收系数、热扩散深度、载流子寿命的影响。经过分析得出，355nm～1064nm波长激光对SOI的损伤可以使用热传导模型来描述。
　　建立了波长分别为1064nm，532nm，355nm激光辐照SOI材料的光热损伤模型，并对激光辐照后的SOI材料温度场及其损伤阈值做了数值模拟。对1064nm和532nm的激光辐照样品采用了完整的三层结构，而对355nm的情况则主要考虑了表层晶体硅。模拟结果表明:(a)1064nm，532nm，355nm激光对SOI材料的损伤阈值分别是4.7J/cm2，0.82J/cm2，0.25J/cm2;(b)通过比较不同波长激光作用后材料的温度场分布发现，SOI器件的自加热效应体现在埋氧层的“热障”作用中。
　　通过1-on-1的损伤测量方式研究了1064nm，532nm，355nm的纳秒脉宽脉冲激光对SOI材料的损伤效应。随着波长减小，材料表面产生的热效应逐渐减弱，损伤阈值逐渐降低。通过对实验参数和实验环境的分析，考虑光斑超高斯能量分布后得到1064nm，532nm，355nm激光对SOI材料的损伤阈值分别是1.68J/cm2，0.45J/cm2，0.28J/cm2。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景和目的

1．2 激光与物质相互作用

1．3 激光与半导体材料的相互作用研究进展

1．3．1 激光与半导体的相互作用应用进展

1．3．2 激光与半导体相互作用理论研究进展

1．3．3 激光与半导体相互作用的实验研究

1．4 论文主要工作

第二章 SOI材料的特性分析

2．1 SOI器件在新型集成电路中的应用

2．2 SOI材料的主流制备技术

2．2．1 注氧隔离(SIMOX)技术

2．2．2 键合再薄化(BESOI)技术

2．2．3 智能剥离(Smart-cut)技术

2．2．4 多孔硅外延层(ELTRAN)技术

2．3 SOI器件中材料的物理性质

2．3．1 晶体硅的物理性质

2．3．2 半导体与激光相互作用机制

2．4 SOI器件的自加热效应

2．5 小结

第三章 激光波长效应的理论分析

3．1 吸收深度对辐照效应的影响

3．2 激光辐照半导体材料模型

3．3 小结

第四章 不同波长激光与SOI晶体相互作用的数值模拟

4．1 1064nm激光对SOI材料的损伤分析

4．2 532nm激光对SOI材料的损伤分析

4．3 355nm激光对SOI材料的损伤分析

4．4 分析与讨论

第五章 不同波长激光与SOI晶体相互作用的实验研究

5．1 实验样品

5．2 实验系统

5．2．1 激光器

5．2．2 实验步骤

5．3 1064nm激光辐照SOI样品实验

5．3．1 光斑形态

5．3．2 标定分光镜

5．3．3 损伤测量

5．3．4 损伤形貌观察

5．4 532nm激光辐照SOI样品实验

5．4．1 光斑形态

5．4．2 标定分光镜

5．4．3 损伤测量

5．4．4 损伤形貌观察

5．5 355nm激光辐照SOI样品实验

5．5．1 光斑形态

5．5．2 标定分光镜

5．5．3 损伤测量

5．5．4 损伤形貌观察

5．6 实验总结与讨论

第六章 总结与展望

6．1 本论文主要工作总结

6．2 论文研究工作的展望

参考文献

致谢

硕士期间论文发表情况