激光與絕緣體上硅材料相互作用中的波長(zhǎng)效應(yīng)研究.pdf

1、具有廣闊應(yīng)用前景的Silicon-on-Insulator(SOI)技術(shù)已經(jīng)逐步成為取代現(xiàn)有體硅材料制備方法的核心技術(shù)之一。在對(duì)基于SOI材料的光電子學(xué)器件應(yīng)用能力評(píng)估中，抗激光損傷能力是其中的一項(xiàng)重要指標(biāo)。然而，以往關(guān)于SOI材料和器件的激光損傷效應(yīng)與機(jī)理方面的研究較少，這大大限制了SOI材料在光電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，本論文重點(diǎn)研究了不同波長(zhǎng)（1064nm，532nm，355nm）脈沖體制（脈寬約10ns）激光對(duì)SOI材料的損傷閾值

2、和作用機(jī)理。建立了SOI材料受激光輻照時(shí)的光熱損傷模型，并進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。
　　分析了不同制備方式對(duì)SOI材料性能的影響。對(duì)表層的晶體硅而言，由于禁帶寬度小，容易通過(guò)本征吸收與波長(zhǎng)0.3～1μm的激光耦合，吸收效率高。SiO2埋層的熱導(dǎo)率低，這導(dǎo)致在SOI器件中產(chǎn)生的熱量不易通過(guò)襯底傳導(dǎo)出去，產(chǎn)生自加熱效應(yīng)，在研究和應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)注意到這個(gè)特點(diǎn)。
　　研究了激光與SOI材料的相互作用機(jī)制。光與半導(dǎo)體的相互作用是通過(guò)外加

3、光電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體內(nèi)的電子振蕩實(shí)現(xiàn)的，材料的能帶結(jié)構(gòu)決定了電子的本征頻率，當(dāng)激光頻率與本征頻率接近時(shí)，材料與激光的耦合效率比更高。表層硅晶體對(duì)激光的吸收系數(shù)總的來(lái)說(shuō)隨著波長(zhǎng)的減小而增大，但是對(duì)某些波長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)吸收峰，這是硅晶體固有物理結(jié)構(gòu)的體現(xiàn)。當(dāng)近紫外到紅外波段的激光輻照硅晶體材料的相互作用時(shí)間大于光子、電子和聲子子系統(tǒng)之間的弛豫時(shí)間，激光能量轉(zhuǎn)化為晶體熱能，加熱深度受到吸收系數(shù)、熱擴(kuò)散深度、載流子壽命的影響。經(jīng)過(guò)分析得出，355nm～1

4、064nm波長(zhǎng)激光對(duì)SOI的損傷可以使用熱傳導(dǎo)模型來(lái)描述。
　　建立了波長(zhǎng)分別為1064nm，532nm，355nm激光輻照SOI材料的光熱損傷模型，并對(duì)激光輻照后的SOI材料溫度場(chǎng)及其損傷閾值做了數(shù)值模擬。對(duì)1064nm和532nm的激光輻照樣品采用了完整的三層結(jié)構(gòu)，而對(duì)355nm的情況則主要考慮了表層晶體硅。模擬結(jié)果表明:(a)1064nm，532nm，355nm激光對(duì)SOI材料的損傷閾值分別是4.7J/cm2，0.82J/c

5、m2，0.25J/cm2;(b)通過(guò)比較不同波長(zhǎng)激光作用后材料的溫度場(chǎng)分布發(fā)現(xiàn)，SOI器件的自加熱效應(yīng)體現(xiàn)在埋氧層的“熱障”作用中。
　　通過(guò)1-on-1的損傷測(cè)量方式研究了1064nm，532nm，355nm的納秒脈寬脈沖激光對(duì)SOI材料的損傷效應(yīng)。隨著波長(zhǎng)減小，材料表面產(chǎn)生的熱效應(yīng)逐漸減弱，損傷閾值逐漸降低。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境的分析，考慮光斑超高斯能量分布后得到1064nm，532nm，355nm激光對(duì)SOI材料的損傷閾