趙宏宇 王頔 魏智 金光勇

(長春理工大學(xué)理學(xué)院,吉林省固體激光技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長春 130022)

毫秒脈沖激光致硅光電二極管電學(xué)損傷的有限元分析及實(shí)驗(yàn)研究?

趙宏宇 王頔 魏智 金光勇?

(長春理工大學(xué)理學(xué)院,吉林省固體激光技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長春 130022)

(2016年12月22日收到;2017年3月6日收到修改稿)

為了研究毫秒脈沖激光致硅基PIN光電二極管電學(xué)損傷,基于熱傳導(dǎo)及彈塑性力學(xué)理論,在光電二極管內(nèi)部材料各向同性并且P-I-N三層結(jié)構(gòu)之間滿足溫度連續(xù)和熱流平衡條件下,建立毫秒脈沖激光輻照硅基PIN光電二極管二維軸對(duì)稱模型,采用有限元方法模擬分析了1064 nm Nd∶YAG毫秒量級(jí)脈沖激光輻照硅基PIN光電二極管的溫度場與應(yīng)力場分布,并實(shí)驗(yàn)測量了硅基PIN光電二極管實(shí)驗(yàn)前后的電學(xué)參數(shù).結(jié)果表明,激光輻照硅基PIN光電二極管時(shí),溫升使材料表面熔融、燒蝕,并且在空間上存在溫度梯度變化,即激光輻照產(chǎn)生的熱與應(yīng)力使光敏面及硅晶格晶鍵損傷,最終造成光電探測器的探測性能下降.研究結(jié)果可為毫秒脈沖激光輻照硅基PIN光電二極管電學(xué)損傷機(jī)理奠定基礎(chǔ).

∶毫秒激光,光電二極管,響應(yīng)度,暗電流

PACS∶42.62.—b,85.60.Dw,44.10.+iDOI∶10.7498/aps.66.104203

1 引 言

激光對(duì)光電探測器的損傷研究一直是激光與物質(zhì)相互作用研究領(lǐng)域中的重要內(nèi)容之一[1?5],人們對(duì)其本質(zhì)機(jī)理認(rèn)知有限,主要是因?yàn)榧す鈸p傷過程是一個(gè)多物理場耦合問題,并且在輻照時(shí)材料參數(shù)的改變增加了研究難度.電學(xué)性能是評(píng)價(jià)光電探測器性能優(yōu)良的關(guān)鍵,激光與光電探測器相互作用研究可為激光對(duì)光電探測器電學(xué)性能損傷機(jī)理奠定基礎(chǔ),為光電探測器抗損傷研究提供支持.

目前,國內(nèi)外關(guān)于激光損傷光電探測器主要對(duì)HgCdTe材料研究較多,對(duì)硅基PIN光電二極管的研究鮮有報(bào)道,硅基光電探測器相比于HgCdTe光電探測器具有量子效率高、響應(yīng)速度快、質(zhì)量小、測量精度高等優(yōu)點(diǎn),硅基光電探測器逐漸

成為研究熱點(diǎn),因此,對(duì)于激光輻照硅基PIN光電二極管其電學(xué)性能退化產(chǎn)生的損傷效果、損傷機(jī)理,用于改進(jìn)光電探測器在光電方面的應(yīng)用具有非常重要的研究價(jià)值.Watkins等[6]研究了光電探測器形貌損傷、損傷深度對(duì)光電探測器電學(xué)性能的影響.Moeglin[7]發(fā)現(xiàn)引起響應(yīng)度發(fā)生明顯的變化所需要的入射激光能量遠(yuǎn)比光電二極管上表面發(fā)生熔融的閾值大得多,隨著入射激光能量密度的升高,損傷閾值逐漸降低.Vest和Grantham[8]觀察到響應(yīng)度下降與脈沖激光的能量密度有關(guān),提出了響應(yīng)度下降模型.Shaw等[9]發(fā)現(xiàn)激光輻照后,部分光電二極管恢復(fù)了初始的響應(yīng)度.劉天華等[10]分析了光電材料對(duì)激光能量的吸收,提出了激光損傷光電二極管的計(jì)算模型.江繼軍[11]得到了載流子濃度與反射率之間的關(guān)系,并根據(jù)速率方程得到了激發(fā)與弛豫過程微分方程.Li等[12,13]得到了形貌損傷閾值隨著摻雜濃度和結(jié)深增加而減小,伴隨結(jié)深度的增加,電學(xué)損傷閾值上升.綜上,已有的實(shí)驗(yàn)研究多為光電探測器損傷閾值研究,對(duì)其電學(xué)損傷機(jī)理研究較為淺顯,因此本文著重對(duì)其電學(xué)損傷進(jìn)行研究.

本文針對(duì)毫秒脈沖激光輻照硅基PIN光電二極管的熱損傷建立了二維軸對(duì)稱模型,對(duì)其輻照過程進(jìn)行了模擬,明確了熱源、光電二極管的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)溫度場以及應(yīng)力場變化的影響,闡述了熱應(yīng)力對(duì)硅晶格晶鍵的作用,進(jìn)一步分析了應(yīng)力對(duì)光電探測器性能的影響,并給出了相應(yīng)的應(yīng)力場分布規(guī)律和光電二極管電學(xué)損傷閾值.

2 激光輻照理論模型

模擬使用的元件為硅基PIN光電二極管,峰值響應(yīng)波長在950 nm左右,對(duì)于1060 nm左右的光譜有較高的響應(yīng)采用1064 nm Nd∶YAG激光進(jìn)行輻照.其中P層是硅摻雜硼,濃度為5×1019/cm3,厚度1μm.N層是硅摻雜磷,濃度是1×1020/cm3,厚度1μm.I層是N型本征硅,濃度是2×1012/cm3,厚度200μm,I層可以增大耗盡區(qū)的寬度,達(dá)到減小擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的影響、提高響應(yīng)速度的目的.在P層的上表面鍍有Si3N4增透膜,其厚度為0.35μm,直徑1 mm.其硅[14]與Si3N4增透膜的物理參數(shù)見表1與表2,表1中T為溫度.

本文針對(duì)激光束垂直輻照硅基PIN光電二極管,入射光束為高斯光束的情況,建立了二維軸對(duì)稱模型,如圖1所示.

圖1 激光輻照硅基PIN光電二極管二維軸對(duì)稱模型圖Fig.1.2D axisymmetric modelof Silicon-based PIN photodiode.

表1 硅層材料參數(shù)Table 1.Parameters of silicon material.

表2 Si3N4增透膜參數(shù)Table 2.Parameters of Si3N4antireflectionfilm.

PIN光電二極管選用的是中科44所GT102型光電二極管,其參數(shù)見表3.

在模擬中使用1064 nm Nd∶YAG毫秒激光輻照硅基PIN光電二極管,在這個(gè)過程中光電二極管吸收激光能量[15,16]并轉(zhuǎn)化為熱能,從而使探測器溫升,此時(shí)存在著溫度梯度[17?23]的變化瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程為

式中,fsi為固相率,Li為熔融狀態(tài)相變潛熱,熱源為Qi;Ti為t時(shí)刻第i層溫度;ρi為第i層材料的密度;ci為第i層材料的比熱;ki為第i層材料的熱導(dǎo)率.光電探測器內(nèi)部材料各向同性,熱傳導(dǎo)方程可以簡化[14]為

式中,β為各向同性體的應(yīng)力-溫度系數(shù),εij為無限小應(yīng)變張量,cv為熱熔給定初始條件∶設(shè)定初始時(shí)刻PIN光電探測器的溫度為298 K.

給定邊界條件∶設(shè)定表面為絕熱.

由于光斑半徑小于光敏面半徑,所以入射激光只穿透進(jìn)硅層內(nèi)一定的深度,則有[12]

式中,入射激光中心點(diǎn)的峰值功率為I0,硅的吸收率為RSi(T),激光束的空間分布為f(r),激光束的時(shí)間分布為g(t),硅的吸收系數(shù)為αSi(T).對(duì)于TEM00模的脈沖激光,可以表達(dá)為

式中,a0為光斑半徑,脈沖寬度為τ,激光輸入能量為E,能量密度為Es.

由熱彈性方程[21]∶

其中,Sr與Sq為應(yīng)力分量,εr與εq為應(yīng)變分量,γ為材料的泊松比,E為楊氏模量,α為材料的膨脹系數(shù),可以得到光電二極管內(nèi)三維熱應(yīng)力分布[21]∶

ρ為密度,fm為屈服函數(shù),gm為熱流密度,βm為第一類一階貝塞爾函數(shù)的根m=0,1,2···.

表3 PIN光電二極管參數(shù)Table 3.The PIN photodiode parameters.

3 結(jié)果與分析

3.1 溫度場與應(yīng)力場分析

光電二極管在不同的能量密度下作用1 ms后,輻照中心點(diǎn)的溫度變化隨時(shí)間的關(guān)系如圖2所示.可以觀察到光電二極管的溫度隨著輻照時(shí)間的增加溫度逐漸升高,當(dāng)溫度到達(dá)硅層熔融點(diǎn)1687 K前,光電二極管的溫度上升得非?？?這是因?yàn)椤?)光電二極管中硅的吸收系數(shù)發(fā)生了改變,溫度越高吸收系數(shù)越大,其數(shù)值從103m?1上升到了106m?1;2)材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)隨著溫度的升高而降低,其數(shù)值從156 W/(m·K)降低到了21.6 W/(m·K),使得探測器吸收了更多的激光能量并以熱的形式沉積在光電探測器中.在1687 K后溫度上升速度降低,可以觀察到入射光能量密度降低,溫升速度減緩.這是因?yàn)?1)在硅由固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí),材料需要吸收大量的激光能量來維持溫度上升;2)由于發(fā)生了相變,硅層的發(fā)射系數(shù)突然增大,使基底對(duì)激光能量的吸收大幅度減弱,造成了溫升速度緩慢上升,并且由于熱擴(kuò)散和固態(tài)-液態(tài)相變吸收熱量,使得溫升速度降低.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)不同激光能量密度下輻照中心點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化Fig.2.(color online)Temperature of the irradiation center spot vs time under the different laserfluence.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)光電二極管輻照中心點(diǎn)軸向不同深度溫度隨時(shí)間的變化Fig.3.(color online)Temperature of the irradiation center axis vs time under the different junction depths.

光電二極管輻照中心點(diǎn)軸向不同深度溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖3所示.當(dāng)τp=1.0 ms,I=100.24 J/cm2時(shí),可以觀察到隨著激光輻照時(shí)間增加,熱能逐漸沉積,探測器輻照中心點(diǎn)軸向溫度隨著深度的增加溫度逐漸下降.由圖可見,在探測器表面其溫度高于硅的熔融溫度1687 K,上表面發(fā)生了固態(tài)-液態(tài)相變,曲線溫升減緩,這表明相變僅僅發(fā)生在探測器表面的區(qū)域內(nèi).

上表面不同位置溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖4所示.當(dāng)τp=1.0 ms,I=100.24 J/cm2時(shí),在激光入射表面選取5個(gè)點(diǎn).可以觀察到在靶材的中心點(diǎn)位置處溫度是最高的,因此,在這個(gè)位置最先發(fā)生固態(tài)-液態(tài)相變現(xiàn)象,隨著距離的增加,溫度逐漸降低.并在溫度為1687 K時(shí),曲線偏折程度越來越緩.

設(shè)定硅基PIN光電二極管在激光脈寬為1.0 ms下進(jìn)行輻照,通過模擬仿真得到了應(yīng)力分布圖.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)上表面不同位置溫度隨時(shí)間的變化Fig.4.(color online)Evolution of temperature at the different points of the top surface.

光電二極管上表面應(yīng)力隨位置變化關(guān)系如圖5所示.圖5(a)為光電二極管上表面徑向應(yīng)力隨位置的變化關(guān)系,為τp=1.0 ms,I=100.24 J/cm2時(shí),其徑向應(yīng)力最大值發(fā)生在0.23 ms時(shí),最大應(yīng)力值為?1.70 GPa.從圖中可以觀察到,光電二極管表面徑向應(yīng)力數(shù)值[21]是小于零的,此時(shí)為壓應(yīng)力.圖5(b)為光電二極管上表面Mises應(yīng)力隨位置變化關(guān)系,當(dāng)τp=1.0 ms,I=100.24 J/cm2時(shí),其應(yīng)力最大值發(fā)生在0.23 ms時(shí),最大應(yīng)力值為1.73 GPa.可以觀察到,光電二極管表面Mises應(yīng)力數(shù)值是大于零的,此時(shí)為拉應(yīng)力.

光電二極管中心軸應(yīng)力隨位置變化關(guān)系如圖6所示.圖6(a)為光電二極管中心軸徑向應(yīng)力隨位置的變化關(guān)系,當(dāng)τp=1.0 ms,I=100.24 J/cm2時(shí),其徑向應(yīng)力最大值發(fā)生在0.23 ms時(shí),最大應(yīng)力值為?1.71 GPa,此時(shí)應(yīng)力的存在形式為壓應(yīng)力.圖6(b)為光電二極管中心軸Mises應(yīng)力隨位置的變化關(guān)系,當(dāng)τp=1.0 ms,I=100.24 J/cm2時(shí),其應(yīng)力最大值發(fā)生在0.23 ms時(shí),最大應(yīng)力值為1.72 GPa,此時(shí)應(yīng)力的存在形式為拉應(yīng)力.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)光電二極管上表面應(yīng)力隨位置的變化 (a)徑向應(yīng)力;(b)Mises應(yīng)力Fig.5.(color online)Stress distribution of the top surface with the different positions.(a)Radial stress;(b)Mises stress.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)光電二極管中心軸應(yīng)力隨位置的變化 (a)徑向應(yīng)力;(b)Mises應(yīng)力Fig.6.(color online)Stress distribution of the center axis with the different positions:(a)Radial stress;(b)Mises stress.

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果測量

實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示.實(shí)驗(yàn)中所使用的激光器為鐳寶光電Melar-10,輸出能量范圍1—10 J,脈寬0.5—3.0 ms可調(diào),激光空間分布為高斯分布.實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的激光脈寬為1 ms,能量計(jì)測得的激光能量分別為0.195,0.169,0.121,0.067,0.029 J.通過使用激光輻照靶面處的相紙得到光斑形狀,再使用金相顯微鏡進(jìn)行測量得到激光光斑半徑.探測器表面溫度通過KBU 1600-USB型點(diǎn)溫儀進(jìn)行測量,測量精度為測量值的0.75%,時(shí)間響應(yīng)為10μs.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.7.(color online)Schematic of the silicon-based PIN photodiode irradiated by millisecond pulse laser.

在τp=1.0 ms的不同能量密度激光輻照下上表面中心點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖8所示,從圖中可以得到其入射的激光能量密度為14.93—99.59 J/cm2.當(dāng)輻照光電二極管器激光能量密度為14.93—86.15 J/cm2時(shí),硅基PIN光電二極管的上表面沒有達(dá)到熔點(diǎn)1687 K,當(dāng)輻照光電二極管的激光能量密度I=99.59 J/cm2時(shí),硅基PIN光電二極管在輻照0.3 ms后達(dá)到硅層熔點(diǎn),并且之后一段時(shí)間內(nèi)觀察到有平臺(tái)期(平臺(tái)期在這里定義為1687 K后溫度緩慢增長時(shí)期)出現(xiàn),在輻照1.0 ms后,硅基PIN光電二極管上表面中心點(diǎn)溫度開始下降,并在2.67 ms上表面中心點(diǎn)完成降溫過程.可以明顯地觀察到,當(dāng)激光脈寬一定時(shí),輻照光電探測器的入射光能量密度越大,硅基PIN光電二極管的光敏面溫度越高.當(dāng)輻照光電探測器激光能量密度較低時(shí),硅基PIN光電二極管上表面溫升速度較為緩慢,并且其最高溫度沒有達(dá)到硅層熔點(diǎn),也未出現(xiàn)平臺(tái)期.在入射激光能量密度較高時(shí),硅基PIN光電二極管的溫升現(xiàn)象十分明顯,并且在這個(gè)過程中發(fā)生固態(tài)-液態(tài)相變,在輻照結(jié)束的時(shí)間點(diǎn)其溫度達(dá)到最大值,此后中心點(diǎn)溫度開始回落.

在τp=1.0 ms激光作用下,硅基PIN光電二極管上表面損傷形貌如圖9所示. 當(dāng)I=14.93 J/cm2的入射激光作用于硅基PIN光電二極管時(shí),硅基PIN光電二極管的上表面出現(xiàn)了固-液相變以及液-固相變,并且為不可恢復(fù)的塑性形變[18?20].當(dāng)入射激光能量密度I=86.15 J/cm2時(shí),在硅基PIN光電二極管的表面上出現(xiàn)了熔坑(熔坑定義為激光輻照后熔融處形成的坑其最低點(diǎn)低于光敏面位置).通過實(shí)驗(yàn)測量的金相損傷圖可以看出,隨著入射激光能量密度的增加,硅基PIN光電二極管先后發(fā)生了熱熔融損傷、熱應(yīng)力破壞、熱噴濺.已有理論和實(shí)驗(yàn)表明∶隨著入射激光能量密度的增加,溫度逐漸升高,硅基PIN光電二極管中的半導(dǎo)體硅吸收系數(shù)逐漸增大,同時(shí)熱傳導(dǎo)率降低,這是溫度場發(fā)生變化的主要影響因素,并且隨著距離的增加,產(chǎn)生了溫度梯度,從而產(chǎn)生了熱應(yīng)力.同時(shí),半導(dǎo)體材料硅具有連續(xù)性,其限制了輻照中心區(qū)域硅材料的自由膨脹,因此,非均勻的熱膨脹將產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力.與此同時(shí),半導(dǎo)體材料硅在高溫的條件下性質(zhì)轉(zhuǎn)為塑性,其屈服強(qiáng)度將大幅降低.一旦最大的熱應(yīng)力超過臨界應(yīng)力,半導(dǎo)體材料硅將發(fā)生塑性形變并產(chǎn)生裂紋,這些發(fā)生塑性形變的原子將被轉(zhuǎn)移到新的位置.

圖8 (網(wǎng)刊彩色)不同能量密度輻照下上表面中心點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化Fig.8.(color online)Temperature of the irradiation center spot vs time under the differentfluence.

圖9 (網(wǎng)刊彩色)硅基PIN光電二極管上表面損傷形貌Fig.9.(color online)Damage morphology of the silicon-based PIN photodiode on the top surface.

在τp=1.0 ms激光作用下,光電二極管響應(yīng)度下降比與損傷面積及最高溫度的關(guān)系如圖10所示.根據(jù)中華人民共和國電子工業(yè)部SJ 2354.6-83方法進(jìn)行響應(yīng)度測量.硅基PIN光電二極管的響應(yīng)面積下降率與響應(yīng)度下降比隨入射激光能量密度的增加而增加.隨著入射激光能量密度的增加,響應(yīng)面積下降率與響應(yīng)度下降比的增長趨勢基本相同,因此響應(yīng)度下降可能與感光面積降低有關(guān).并且硅基PIN光電二極管的溫度與響應(yīng)度下降比隨著入射激光能量密度的增加而增大,最初溫度上升與響應(yīng)度下降比增加得較快,但隨著入射激光能量密度的增加,溫升與響應(yīng)度下降比增速逐漸減緩.當(dāng)I=99.59 J/cm2時(shí),響應(yīng)度下降9.98%響應(yīng)度測量誤差的估計(jì)值為±0.001 A/W.

在τp=1.0 ms激光作用下,光電二極管暗電流與損傷面積及最高溫度的關(guān)系如圖11所示.根據(jù)中華人民共和國電子工業(yè)部SJ 2354.3-83方法進(jìn)行暗電流測量.硅基PIN光電二極管的損傷面積與暗電流隨著激光能量密度的增加而增加,在入射激光能量密度較低時(shí),損傷面積增長速度較快,暗電流上升速度較為緩慢.硅基PIN光電二極管的最高溫度與暗電流隨著激光能量密度的增加而增加,在入射激光能量密度較低時(shí),溫升速度較快,暗電流上升速度較為緩慢在能量密度達(dá)到90 J/cm2附近時(shí),暗電流急速上升,相比于初始值2 nA提升了3個(gè)數(shù)量級(jí)暗電流測量誤差為0.003%.

圖10 (網(wǎng)刊彩色)光電二極管響應(yīng)度下降比與損傷面積及最高溫度的關(guān)系 (a)響應(yīng)面積下降率與響應(yīng)度下降比;(b)最高溫度與響應(yīng)度下降比Fig.10.(color online)The relation of responsivity decline ratio to lesion area and maximum temperature.(a)The relation between responsivity decline ratio and response area reductionrates;(b)the relation between responsivity decline ratio and maximum temperature.

圖11 (網(wǎng)刊彩色)光電二極管暗電流與損傷面積及最高溫度的關(guān)系 (a)損傷面積與暗電流;(b)最高溫度與暗電流Fig.11.(color online)The relation of dark current to lesion area and maximum temperature.(a)The relation between dark current and lesion area;(b)the relation between dark current and maximum temperature.

3.3 仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

將已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬仿真對(duì)比分析,可以得到∶毫秒脈沖激光輻照硅基PIN光電二極管時(shí),隨著入射激光能量密度增加,光電探測器表現(xiàn)出明顯的溫升現(xiàn)象,并且損傷效果越加明顯.

在τp=1.0 ms時(shí),仿真與實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)比分析如圖12所示.當(dāng)前模擬設(shè)定的激光能量密度為I仿真=100.24 J/cm2,其最高溫度為1837 K.實(shí)驗(yàn)中入射激光能量密度I實(shí)驗(yàn)=99.59 J/cm2時(shí),其最高溫度為1807 K.從圖12模擬溫度與實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)比分析可以看出,模擬與實(shí)驗(yàn)符合度較高.在τp=1.0 ms時(shí),其上表面應(yīng)力與中心軸方向屈服應(yīng)力分別為1.73 GPa與1.72 GPa,響應(yīng)度下降9.98%,暗電流與初始值相比提高了3個(gè)數(shù)量級(jí).在硅晶體的111晶面的110晶向,其晶格屈服應(yīng)力[24,25]為1.7 GPa,而得到的仿真數(shù)據(jù)大于硅晶格的屈服應(yīng)力,可能造成晶鍵斷裂,使晶格發(fā)生損傷,晶鍵斷裂會(huì)使載流子輸運(yùn)通道發(fā)生改變,輸運(yùn)時(shí)間變長,并且在這個(gè)過程中電子空穴快速復(fù)合,載流子壽命降低,載流子濃度升高[26],導(dǎo)致了暗電流上升,而光敏面的損傷使響應(yīng)度降低,這嚴(yán)重的影響了光電探測器的電學(xué)性能.實(shí)驗(yàn)中定義響應(yīng)度下降10%時(shí)為其電學(xué)損傷閾值,通過實(shí)驗(yàn)與仿真能量密度對(duì)比分析,其符合度較好,因此硅晶格的屈服應(yīng)力1.7 GPa也是其電學(xué)損傷閾值點(diǎn).

圖12 (網(wǎng)刊彩色)在τp=1.0 ms時(shí)仿真與實(shí)驗(yàn)溫度的對(duì)比Fig.12.(color online)Comparative analysis of the temperature distribution between simulation and experimental when the laser pulse width is τp=1.0 ms.

4 結(jié) 論

本文研究了毫秒脈沖激光輻照硅基PIN光電二極管時(shí)光電二極管內(nèi)部的溫度場與應(yīng)力場的變化,實(shí)驗(yàn)過程中考慮了溫升致材料參數(shù)變化,獲得了其溫度場與應(yīng)力場的變化規(guī)律,并測量了光電二極管實(shí)驗(yàn)前后的電學(xué)參數(shù)變化.結(jié)果表明∶由于激光輻照硅基PIN光電二極管時(shí),溫升使材料表面熔融、燒蝕等,光敏面面積減小,響應(yīng)度降低;并且溫度梯度發(fā)生了改變,從而產(chǎn)生了應(yīng)力變化,當(dāng)拉應(yīng)力或壓應(yīng)力大于1.7 GPa時(shí),造成晶格損傷,晶鍵斷裂,而使暗電流上升,這嚴(yán)重地降低了光電探測器的探測性能.因此,在制作PIN光電二極管的過程中,退火的掌控是十分重要的,防止材料的晶格損傷,進(jìn)而提高良品率.而從使用角度來看,工作環(huán)境的穩(wěn)定可以延長其使用壽命,并且探測精度也有所保證.研究結(jié)果可為激光輻照硅基PIN光電二極管電學(xué)損傷機(jī)理奠定基礎(chǔ).

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PACS∶42.62.—b,85.60.Dw,44.10.+iDOI∶10.7498/aps.66.104203

*Project supported by science and technology department of Jilin Province in China(Grant No.20150622011JC).

?Corresponding author.E-mail:jgycust@163.com

Finite element analysis and experimental study on electrical damage of silicon photodiode induced by millisecond pulse laser?

Zhao Hong-Yu Wang DiWei ZhiJin Guang-Yong?
(Key Laboratory of Solid Laser Technology and Applications of Jilin Province,Schoolof Science,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China)

22 December 2016;revised manuscript

6 March 2017)

In this paper,based on the thermal elasto-plastic constitutive theory and the equivalent specific heat method,the electrical damage in the silicon-based positive-intrinsic-negative(PIN)photodiode irradiated by millisecond(ms)-pulsed laser is investigated.On condition that the internal materialof the photodiode is isotropic and threelayer structure of the P-I-N satisfying temperature continuity and heat flow balance,a two-dimensional(2D)simulation axisymmetric model for silicon-based PIN photodiode irradiated by ms-pulsed laser is built.The thermal and stress field distribution are simulated in the silicon-based PIN photodiode irradiated by the Nd∶YAG ms-pulsed laser at 1064 nm through using thefinite element simulation software.At the same time,electrical parameters before and after the experiment of the silicon-based PIN photodiode irradiated by pulsed laser are measured.The experimental results show that the surface is melted and ablated gradually with the increase of temperature in the high energy pulsed laser,and there is a gradient change for the temperature in spatial distribution.With the increase of laser energy density,photoelectric detector shows the temperature rise phenomenon and damage effect is more obvious.When the tensile stress or compressive stress is greater than 1.7 GPa,the photosensitive surface and the silicon lattice are damaged with the changes of thermal and stress fields.Bond cleavage can change the photogenerated carrier transport channel,and the transport time can be longer.In this process,the photogenerated electron-hole pairs are readily recombined,carrier lifetime decrease and carrier concentration increase,which leads to the increase of the dark current and the decrease of the responsivity.Eventually the performance of photodetector detection is reduced.Through comprehensive comparison between experiment and simulation,one can confirm that this theoretical model has a considerable levelof reliability.The conclusion we can draw is that the threshold of electrical damage is 1.7 GPa.So the controlof annealing temperature is extremely important for the process of making PIN photodiode.Preventing the lattice damage of the material can improve the product yield rate.In addition,from the point of view of the use of products,the stability of the working environment can extend the service life of products,and the detection accuracy is guaranteed.Conclusively,the results in this paper establish the foundation to investigate the electrical damage mechanism in the silicon-based PIN photodiode irradiated by ms-pulsed laser.

∶millisecond laser,photodiode,responsivity,dark current

?吉林省科學(xué)技術(shù)廳項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):20150622011JC)資助的課題.

?通信作者.E-mail:jgycust@163.com

?2017中國物理學(xué)會(huì)Chinese Physical Society