本文關鍵詞：短脈沖激光對硅及硅基光電器件的損傷效應與機理　出處：《中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所)》2015年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：本論文擬開展短脈沖激光對硅材料及硅基光電器件的損傷效應和機理研究,并對損傷過程和機理形成一個系統(tǒng)而完整的認識,從而為激光加工、激光防護以及相關工程應用提供依據(jù)。論文首先在緒論中討論了超短脈沖激光技術、硅材料應用以及硅基器件的進展,并較為詳細地綜述了激光輻照效應研究領域的進展,然后從激光輻照材料到輻照結構的基本思路展開相關研究。解決了超短脈沖與晶體硅的相互作用問題,進而在材料損傷機理清晰的情況下分析了硅基器件的損傷過程及機理。詳細工作內容如下:1)首先,理論上推導了基于密度泛函理論的超快激光與硅的半經典相互作用模型,并結合宏觀的介電常數(shù)變化特性分析了飛秒激光損傷硅的物理過程。進一步采用基于電子激發(fā)、俄歇復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傷機理可理解為過量激發(fā)載流子造成的半導體金屬化相變過程。在100fs、800nm單脈沖輻照條件下的損傷閾值約0.25J/cm2,熱損傷貢獻率遠高于非熱損傷貢獻率。入射激光能量密度高于0.53J/cm2時“非熱”損傷貢獻為主,此時損傷過程從皮秒降低到100fs內完成,與熱損傷的電子、晶格時間演化過程顯著不同。進一步研究了脈沖寬度、多脈沖積累等因素對損傷效果的影響。當兩個激光脈沖間隔小于100ns時會發(fā)生熱積累效應,并顯著降低激光損傷閾值。第一個激光脈沖引起的電子密度變化對損傷貢獻較小;而第一個激光脈沖導致的晶格溫升將進一步導致高密度電子激發(fā)以及晶格的進一步溫升,對損傷起主要貢獻。所獲得的理論分析結果與公開報道的反射率實驗結論一致。2)利用光譜儀對激光損傷材料表面產生的熒光進行光譜分析,得到材料的損傷閾值。利用飛秒激光誘導硅等離子體光譜討論了損傷閾值和多脈沖損傷機理兩個問題。利用飛秒單脈沖激光照射Si和Si O2/Si兩種樣品,探測的波長為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度隨著激光能量密度的變化關系,并對光譜的輻射強度進行線性擬合,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。利用雙波長飛秒雙脈沖激光誘導硅產生等離子體輻射,發(fā)現(xiàn)產生的硅等離子體輻射強度隨著雙脈沖時間間隔的變化而變化。與同一波長的飛秒激光雙脈沖作用下不同,在坐標軸兩邊達到最大輻射強度的時間是不同的。當400 nm的激光早于800 nm的光到達樣品表面時,輻射強度的增加是迅速的,同時輻射強度的衰減也是比較快的。對于較長的時間間隔(±300 ps),加強比為0.5,雙波長的飛秒雙脈沖激光對產生的等離子體輻射加強率更低。3)較為系統(tǒng)地開展了重頻、短納秒/皮秒激光對行間轉移型電荷耦合器件的損傷實驗研究。實驗方法采取器件直接讀出、掃描電鏡以及電子學等途徑結合硅材料的損傷機理和過程分析器件損傷效應。實驗中引入可激光光斑測量的二階矩理論提高損傷閾值測量精度。并利用轉臺控制到達光電探測器件的脈沖數(shù)量和脈沖之間的時間間隔精確控制多脈沖積累過程。最后綜合利用損傷效應實驗結果分析了損傷機理。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。實驗表明存在兩種顯著不同的損傷機理。其一、多個脈沖到達CCD靶面同一位置的損傷或致盲具有積累效應,多個脈沖積累損傷能夠顯著降低線損傷和全靶面損傷閾值,降低程度與脈沖個數(shù)、激光到靶能量密度有關。在積累脈沖個數(shù)達到100個時,多脈沖點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。多脈沖激光致盲機理與單脈沖致盲機理相同,均表現(xiàn)為器件垂直轉移電路間及地間的短路;其二、激光脈沖串到達CCD靶面的不同位置也能夠實現(xiàn)器件的功能性失效,而這種器件功能性失效機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應線損傷閾值(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驗研究,在理論方面采用了較為先進的基于密度泛函理論的半經典近似理論、改進雙溫模型理論,較系統(tǒng)地闡述了超短脈沖激光與硅的相互作用過程,在量子分子動力學計算、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驗中,采用了目前較前沿的泵浦探測技術分析動態(tài)微觀測試技術,實驗手段上有一定進展,在材料多層膜系界面損傷和多脈沖損傷機理方面有新的成果。在短脈沖激光對電荷耦合器件的多脈沖損傷效應和機理研究方面,通過材料學和電子學方法分析了器件損傷的機理,在前人研究基礎上重點分析了多脈沖、短脈寬激光損傷機理,具有較為明確的應用價值。該研究對激光輻照效應及理論研究方面有了較為深入的認知,并可為激光加工以及相關光電工程應用研究提供借鑒和參考。
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN249

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本文編號：1314499