（光学专业论文）飞秒激光辐照硅及硅光电探测器研究.pdf

四川大学硕士学位论文 飞秒激光辐照硅及硅光电探测器研究 光学专业 研究生：江继军指导教师：陈建国罗福 硅半导体材料在集成电路与光电探测器的制造上有着广泛的应用。近年 来，硅半导体器件尺寸不断变小，目前已经缩d , n 了纳米尺度，载流子在这个 尺度内的输运时间大约在p s 量级，这促使人们需要对越来越短的时间尺度内硅 的载流子动力学进行研究，传统的电子学方法很难滞毖短时间尺度内发生的 现象进行沏嚏，超陕光谱探测几乎成了进行这类研究的唯测试手段。此外， 强光环境对硅探测器的应用带来了极其重要的影响，以前实验的加载手段主要 是连续的或是脉宽为纳秒量级以上的激光，对于飞秒激光辐照硅探测器的研究 还有待大力地开展。 本文对飞秒激光辐照单晶硅后非平衡自由载流子浓度的超快变化过程及 飞秒激光辐照硅光电探测器的效应进行了研究。首先在实验中利用飞秒铡9 匕泵 浦一探针技术，搭建了个飞秒泵浦_ 探针反射率测试系统，该系统时间分辨率 达到约6 0 f s ，保证了我们自群弦咄嘲4 量硅反射率的超快变化。藐”獭8 量飞秒激 光作用后硅的时间分辨瞬态反射率后，利用d r u d e 模型基础上导出的自由子流 子浓度和反射率之间的关系，计算出飞秒激光作用过后载流子浓度随时间的驰 豫过程；然后基于半导体的速率方程理论，建立了载流子浓度随时间变化的数 学模型。用4 阶龙陪库塔法对数学模蝥斯亍了数值计算，与实验中得到的数据 进行比较，所得的数值计算结果与实验结果基本一致。最后用飞秒激光辐照硅 四川大学硕士学位论文 c c d 和硅光电二极管，观察到了它们在超短脉冲作用下的失效闽值。 关键词：飞秒激光泵浦_ 探针硅硅光电探测器失效闽值 1 1 四川大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ns i l i c o na n ds i l i c o np h o t o e l e c t r i cd e t e c t o r m a j o r ：o p t i c s p o s t g r a d u a t e ：j ia n gjij u n s u p e r v i s o r = c h e n i a n g u o ，l u of u s i l i c o n i s w ；d e = 4 y u s e di n m a n u f a c t u r i n gi n l = g r a t e d c i r c u i ta n d p h o t o e l e c l d cd e t e c t o r s i nr e c e n ty e a r s s i z eo fs i l i c o nd e v i c e sh a sb e e n d e c r e a s i n g a tt h ep r e s e n tt i m e ，t h e i rs i z eh a sa n i v e da tn a n o m e 悟rs c a l e ， a n di t a p p r o x i m a t e l y t a k e ss e v e r a jp i c o s e c o n d s ，o r e v e ns h o r t e r t i m e ，f o r f r e e c a r r i e r st ot r a n s p o r td u r i n gs u c hs m a l ld i s t a n c e s t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho f c a r r i e rd y n a m i c si ns i l i c o no rs h o r t e ra n ds h o r t e r 自m es c a l ei s u r g e n t l y d e v e l o p e d p r o c e s s e so ns u c hs h o r tt i m es c a l ea l ed i m c u f h ym e a s u r e db y t r a d i t i o n a le l e d r o n i cm e t h o d s ou l l r a f a s ts p e c t r o s c o p ym e t h o di st h eo n l y c h o i c eo f c a y i n g o u ts u c h e x p e r i m e n t s a d d i t j o n a u y , a p p l i c a t i o n o f p h o t o e l e c o i cd e t e c t o r si ss e v e r e l yi n f l u e n c e db yl a s e r i nt h ep a s te x p e r i m e n t s ， p e o p l ef o c u so nt h ee f f e c to fp h o t o e l e c t r i cd e t e c t o r si r r a d i a t e db yc o r r l j n u o u s l a s e ro rp u l s e dl a s e rw i t hp u l s ew i d t hm o r et h a nn a n o s e c o n d 溯o fe f l ；e c t o fp h o t o e l e c t i i cd e t e c t o r si r r a d i a t e db y 惋盯伯蹬泞c o n dp u l s e dl a s e rs h o u l db e p r o f o u n d l y c a r r i e do u t i nt h i sp a p e r , u l t r a f a s tt i m e - r e s o l v e dc a l t i e rd e n s i t yo fs i n g l e - c r y s t a l s i l i c o na n de f f e c to fs i l i c o np h o t o e l e c 埘cd e t e c t o r si r r a d i a t e db yf e m t o s e c o n d p u l s e dl a s e rh a sb e e r ls t u d i e d f i r s t 虹, t e s t i n gs y s t e mo ff e m t o s e c o n d p u m p p r o b er e f l e c t i v i t y b a s e do np u m p - p r o b et e c h n i q u eh a sb e e n 1tt 四川大学硕士学位论文 e s t a b l i s h e d - t i m er e s o l l r d o no ft h es y s t e mr e a c h e s6 0f e m t c s e c o n d ，w h i c h a s s u r e st h a tu l t m f a s tv a r i a t i o no f 停f i e c i i v i i vo fs i l i c o nc a nb ee t f e c 坩v e l y m e a s u r e d w m 廿悖r e l a t i o nb e t w e e nc a r r i e rd e n s i t ya n dr 邮ec i i i f i fb a s e do n o r u d em o d e l ，t j r n e - r e s o l v e dc a r r i e rd e n s i t yc a nb ew o r k e do u tt h r o u g ht h e e x p e r i m e n t a ir e s u l t o f v a n 蜘o f 帕舱d m 咄s e c o n d l y , m a t h e r n a t j c a i m o d e i o f t i m e - r e s o l v e dc a r d e r d e n s i t y h a sb e e ne s t a b l i s h e do nf i l e b a s eo f s e m i c o n d u c t o rr a t ee q u a a o nt h e o r y w eh a v ec a l c u l a t e dt h em a t h e m a t i c a i m o d e ja n dc o m p a r e dt h er e s u l to fn u m e n c a lc a l c u l a t i o na n d 睇甘i m 斟1 值i d a t a i tp r o v e so u tt h a tt h e ya r ea p p r o x i m a t e l y 甘t b la tl a s t , w eg e tt h e d a m a g e 廿1 r e s h o l do fs i l i c o nc c da n ds i l i c o np h o t o d i o d ei r r a d i a t e db y f e m t o s e c o n dp u l s e dl a s e r k e y w o r d s ：f e m t o s e c o n dp u l s e dl a s e rp u m p - p r o b e s i l i c o ns i l i c o n p h o t o e e c 埘cd e t e c t o rd a m a g et h r e s h o l d 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 硅是微电子工业( 集成电路) 最重要的半导体材料，在光电子领域也有广 泛的应用，如s i 光电二极管、可见。光c c d 和一些其它光电器件都是基于硅材料 的。尽管目前不断荐新的半导黼十料出现，甚至在某些领畴世新的半导体材 料的性能超越了硅，但在可预见的未来，硅依然是人们应用最多的半导体材料 【i 】 关于探测器对信号的响应速度和对信息的处理速度方面的需求，人们是无 止境的。为了得到更高的速度，s i 器件的尺寸不断缩小。微米级器件加工已经 成熟，并要进一步把器件的尺寸发展到纳米量级。载流子在这个空间尺度内的 输运时间大约在皮秒甚至亚皮秒量级，这促使 们对越来越短的时间尺度内硅 的载流子动力学进行研究，即对硅载流子的超快现象进行研究凹。另一方面， 国内外对激光辐照硅光电器件效应的研究已经开展了多年，所使用的激光6 l 连 续一直发展到短脉冲( n s 脉冲) 4 ”，但是对于超短脉冲激光辐照硅光电器件 的研究还很少，更严重的是经典的理论在这个时间尺度无法解释很多新的现象， 为了对超短脉冲辐照硅光电器件效应有一定的认识，也需要对硅载流子的超陕 现象进行研究。 硅载流子的超陕过程，如载流子动量重整化、载流子趋于热平衡过程及能 量驰豫等都是在几个飞秒到几十个皮秒时间内完成。所以在进行s i 载流子的超 快动力学研究时，首先面临的挑战就是要得到与之相应的时间分辨率。电子学 测试方法的响应不能达至懒9 量超陕过程( 皮秒、飞秒时间尺度) 对时间分辨率 的要求，因为这些电子器件的响应时间通常都要比硅载流子的超快过程高几个 数量级。超短脉冲激光的出现，不但为进行这方丽研究提供了加载工具，同时 也可以提供了测量超快过程的澳撼手段，这就需要有效的光学超快测量技术。 激光的脉宽越短，钡晰能达到的时间分朔璋喇b 选高。 1 2 国内外研究遗展 1 2 1 光学超快测试方法 目前，稠超短脉冲激光，人们已经发展起了许多研究半导体超快现象的 线陆和非线性光谱技术。这里介绍的是几种在该领域研究常用的测试方法。 四川大学硕士学位论文 1 2 1 1 条饺相柳敲术 条纹相机把发光物体的时间信息转化为空间信息。条纹相机技术是在2 0 多年前由b r a d l e y 嘲和s c h e l e v 首刨”。现代的条纹相机可以做到亚皮秒的时间 分辨率。典型的条纹相棚加图1 1 所示。条纹相帆最多的是被用于超陕荧光测 量。在这项技术中，被超陕：教光咏冲激发的样品发射出来的光汇聚到条纹相机 的光电阴极，光电阴极释放出光电子，其流量与入射到系统的光强成正比。使 用外加电压，使电子加速，并在偏转电压作用后，光电子发生偏转，最后落到 荧光屏。很显然不同时刻丛光电阴极释放的电子落在荧光屏的不同位置。这将 会产生一个条纹，这个条纹所包含的空间分布的信息与 射荧光的时间分布的 信息是一一对应的。当前商业用条纹相机时间分辨率可以彳艮容易达到0 5 皮秒 ”，魂 b b 肼漂夕 一直至啦丘红夕 。 1 2 1 2 光学克尔光栅技术 早期研究超快荧光应用了光学克尔光栅嘞，它包括克尔活性液，如c 把 活胜液置于两个偏振方向垂直的偏振器之间。通常由于这两个偏振片是互相垂 直的，所以这个通道是关闭的，如图1 2 所示。然而在强的电场作用下( 与超 短脉冲激光同步) ，活眭液分子会出现短暂的双折射效应，并导致克尔门是透明 的。实际匕这就相当于一个柳a 戒开关，只有在很短的时间内，它才能使光进入。 这样，通过简单的改变开启脉冲的延时时间，就可以得到连续的光致发光时间 分布图。延时时间的改变可以通过在光路延迟线上放置可移动的反射镜来获得。 四川大学硕士学位论文 光学克尔门技术的时间分辨率由活性克尔介质分子的重取向决定。通常使用的 c s 。的重取向时间大约为2 皮秒。 1 2 1 _ 3 参量上转换技术 参量上转换( 和频) 过程可以被用以做超快光学快门”。典型的参量e 转 换技术如图1 3 所示。超短脉冲激光激发样品后，样品发射的荧光经过收集， 整平行后与部分激发光在一个非线性晶体进行合束。晶体放置角度使激发光与 样品发射荧光中的某频谱分量满足相位匹配条件，那么就会从晶体会发射出 所需要的信号光，它的频率是前两者的和。这束和频信号光可用个光电倍增 管接收。通过改变控制脉冲与发射荧光的相对延迟时间，可以, n - n 无背景信号 的荧光时间分辨曲线。使用这种方法，时间分辨率可以达到飞秒量级。 c r y “m ，0 u 1 3 参量e 转化技术测量典型装置 1 2 1 4 泵浦砖陆h 女术 泵浦一探针技术是把超短激光脉冲束分成两部分，较强的部分称为泵浦光， 较弱的部分称为n - 参1 光，这两束光依次入射到样品表面，并且它们之间的时间 差可以调。空间蝌光和泵浦光要在样品上重叠，探针光光斑小于泵浦光光 四川大学硕士学位论文 斑。利用泵浦光激发样品，引起样品性质改变。然后，用探针光入射到泵浦光 作用过后的区域。通过改变它们两者之间的光程差，就可以调整它们之间的相 对延迟时间，从而得到激发光作用过后不同时刻的探针光测量得至岫廿信息。泵 浦一探针技术可以测量的物质性质有：反射率、透射率嗍，拉曼散射m 1 和光致发 光“4 。典型的原理简图如图1 4 所示。 1 4 泵；静塌；针技术测量典型装置 泵浦一探针技术是这四种技术中最常用的，它的时间分辨率仅受到所使用 激光器输出脉宽的限制，当前报道的最短激光脉宽为6 f s ，理论上使用该技术 时间分辨率也可以达到这个值，这就达到了测量超快过程中的载流子动量重整 所需要的时间分辨率。本文实验也采用这项技术，测量飞秒激光辐照后s i 材料 不同时刻的反射率来了解载流子的超快驰豫过程。详细的过程将在第三章讲述。 1 2 2 硅半导俐 斗矗虽快动力学研多进展 相对于g a a s 材料，人们对于s i 、g e 的研究相对滞后很多”。这是因为微 分吸收光谱技术和时间分辨的荧光技术等一些重要的超快光谱测试方法在间接 带隙半导体中是不能使用的。当然，这领域中，人们还是做了许多重要的工 作。 就理论工作方面，为了了解载流子的超快行为，人们发展起了复杂的 m o n t e - c a r l o 方法叶嘲和流体动力学方法删，用来模拟包括真实能带结构和载流 子散射过程这两方面的问题。根据流体力学输运理论得出的个著名结论就是 载流子的动量驰豫时间对能量驰豫时问的比率对热载流子的输运具有显著的影 四川大学硕士学位论文 晌。 e r s 开展了纳米晶硅薄膜中激发的载滂子的超快动力学研究，观察至暇芰 流子的驰豫过程呈指数衰减形式，持续时间大约在2 4 0 f s 4 1 。g o l d m a n 等 利用 时间分辨的光电子光谱技术直接观察到了硅中光学激发的载流子能量驰豫过 程，他们观察到的超短脉冲激光激发后电子一电子趋于热平衡的时间 1 2 0 f s e c ”i 。p r o n k o 用超短脉冲激光研究了硅的雪崩电离嘲。j o h n s o n l 等人用 时间分辨的x 射线光谱技术用于探测多晶硅吸收了超短脉冲激光能量后结构发 生的变化嘲。m a z u r e n k o 研究了三维硅基光子晶体的超快光学开关效应，他认 为硅中短寿命的激发载流子导致了硅的介电常数的变化，并用双带混合模型对 结果进行了分析。t a ey c h o i 进行了超短脉冲激光烧蚀单晶硅的实验研究， 观察到在能量密度为1 5 j c m 2 时硅有短暂的非热平衡液相。 就测试技术丽言，人们主要应用泵潘探针技术来研究单晶硅的载流子超 快动力学，具体包含以下四个方面：瞬态反射透射技7 | 掣矧，瞬态光栅衍射技 术删，光热折射技术，和时间分辨光电发射法。b u h l e i e r 和s j i d i n 等人的研究表明，动量驰豫散射是引起激发子失相的主要原因，这们立 程的时间短于l o o f s 随“。理论计算表明载流子一载流子散射岫和载口确二_ 声子散 射呻”都对激发态载流子失相有贡献。载流子一载流子散射同时也能形成一个 严格定义的电子温度，这个时间尺度大概是在i 0 0 到3 0 0 飞秒“。电子一声子 散射也会在几百个飞秒内热化激发态载流子“12 ”。在更长一点的时间尺度上， 体和表面复合开始把受激载济汗从导带返回到价带。同时些局部过程还会发 生，扩散。阍及激发态载流子引起的b a n d - - b e n d i n g 还可能会发生“。 t 2 3 飞秒激光辐照硅光电器件效应研究进展 硅c c d 和硅p i n 光电二极管是可见，光至嗵缈嘲设的首选探测器，在各领 域都有广泛的应用。光环境特别是激光会给光电蹀钡幡的应用带来很严重的影 响，这包括探测器响应的饱和和完全失效等。就硅基c c d 来说，国内外对c c d 在激光辐照下的损伤效应做了许多工作。以前实验中使用的激光光源多为连续 激光或是脉宽大于亚纳秒的脉冲激光，对于飞秒激光辐照下c c d 损伤效应 方面的研究i 丕来见报道。对于硅p i n 光电二极管，b a r t o li 等人给出了1 0 6 4 四川大学硕士学位论文 un l 激光辐照下硅p i n 光电二极管的损伤阈值”：w a t k i n s 等人对i 0 纳秒激光 辐照下硅光电二极管的损伤机理进行了较为深入的研究”；2 0 0 0 年，钟海荣等 综述了激光对光电探测器的破坏机理研究情况唧，但对于飞秒激光为代表的超 短脉冲激光辐照下的破坏效应都没有报道。 1 3 存在的问题 目前孙发表的文献来看，无论是研究的广度还是深度，对o a a s 的超快动 力学的研究工作都远远超过了对s i 的研究。虽然，通过以前人们的实验工作 和理论计算工作，人f f 对s i 在超短脉冲激光激发下的载流子一载流子散射，载 流子一声子散射及其它们对激发载流子的相干态失相，动量驰豫，能量驰豫等过 程都有了一定的认识。但是关于表征受澈撇的受激载流子浓度随时间的变 化过程，却还较少涉及。这对于比较全面地了解s i 载流子超快动力学过程是一 种缺失。 硅光电探测器的激光辐照效应研究针对的主要是连续激光或是脉宽为纳 秒量级以上的脉冲激光，对于飞秒激光为代表的超短脉冲激光辐照硅光电器件 的效应，基本上还很少涉及，有必要增强这方面的研究。 1 4 本文的主要工作及结构安排 本文是8 6 3 计划资助项目的研究内容之一。本文以单晶硅为研究对象，利 用波长8 0 0 n t o ，脉宽6 0 飞秒的超短脉冲激光器，搭建了套飞秒泵浦一探针反 射率测量装置，该装置的时间分辨率达到6 0 飞秒。通过实验，测量了样品受泵 浦光激发后反射率随时间的变化过程。在这个基础e ，通过d r u d e 模型，分析 了样品被激发后载流子浓度随时间的变化过程。同时从半导体输运的玻尔兹曼 方程出发，建立了裁流子浓度随耐间变化的速率方程，并用谚费罐淄亍了数值 计算。最后，介绍了我们开展的飞秒激光辐照s i 光电二极管和c c d 效应的实验 研究及其结果。全文共分6 章，结构和内容安排如下： 第一章为绪论，介绍了国内外超快光谱测试技术的进展、硅载流子超陕动 力学研究进展和飞秒激光辐照硅光电器件效觑矸究进展。最后简要地概括了本 文研究的主要内容和论文的章节安排。 四川大学硬士学位论文 第二章主要为基础理论，主要介绍半导体的光学f 生质、半导体材科的超快 过程及其影响机制以及基于半导体的速率方程理论建立描述硅载流子随时间变 化的速率方程。 第三章包括飞秒泵浦一探针反射率测试实验平台的搭建，实验数据的获取 和处理分析。 第四章是数值计算。对第二章得出的载流子浓度随时间变化过程的速率方 程做一定的简化后，在m a t l a b 平台用龙格库塔算法对简化过后的方程进行数 值计算，并对比了数值计算结果和实验测量数据。 第五章简要介绍s i 基光电探测器的飞秒激光辐照效应实验的内容及结果。 第六章对全文进行总结，同时提出展望。 四川大学硕士学位论文 参考文献 1 s t e p h e na - c a m p b e l l t h es c i e n c ea n de n g i n e e r i n go fm i c r o e l e c t r o n i cf a b r i c a t i o n 北京：电子工业出版社2 0 0 3 2 a g d e e ps h a h u l t r a f a s ts p e c t r o s c o p yo fs e m i c o n d u c t o r sa n ds e m i c o n d u c t o r n a n o s t r u c t r u e s b e r l i n ：s p r i n g e r 1 9 9 8 3 0 7 _ 3 2 4 3 钟海荣，刘天华，陆启生激光对光电探测器的破坏机理研究综述【j ，强激光与 鬼2 0 0 1 ) ( 4 ) 4w a t k i n sse ，z h a n gc 三w a t s e rrm ，e ta 1 l a s e ri n d u c e dd 姆i no p t i c a lm a t e r i a l s 1 9 9 8 ：2 8 8 _ _ 3 l o 5d j b r a d e l ye ta 1 ，a p p l f n y s l e t t 1 6 ，5 3 ，1 9 7 0 6us c h e l e ve ta l ，a p p l ，p h y s l e t t1 8 , 3 5 4 ，1 9 7 1 7 蔓t s u c h i y a , p r o c s p i e1 6 9 9 , 2 4 4 ，9 9 1 8e ng o e b e l ，7 g r a n d z u s ，phg i a n ge ta l 2 4 , 5 7 3 ，1 9 8 1 9 l h ra n d 盹nb i r c h ，0 p t c o m m u n 1 3 ，9 6 ，1 9 7 5 1 0puf a u c h e t ，d h u l i l l ，gb e m o n i a u x ，a o r s z a g , j k o l o d z e y ，a n ds w a g n e r ， u t r a f a s tp h e n o l l e n av ，2 4 8 ，1 9 8 6 11d v a nd e rl i n d e ，j k u h l ，a n dh k l i n g e n b e r g , p h y s r e v l e t t 4 4 1 2 工s h a h , 一c n m e n t 3 d e v e a u d ，a n dnb l o c k , a p p l p h y s l e t t 5 0 ， 1 5 0 5 ， 1 3 0 7 1 3 m d r e a so t h o n o mj o u r n a lo fa p p l i e dp h y s 8 3 ，t 8 1 6 1 8 1 7 1 9 9 8 1 4 札v f i s c h e t t ia n ds e l a u x ，p h y s r e v b3 8 ，9 7 2 1 ，1 9 8 8 1 5tk u n i k i y o ，e ta z ，j ，a p p l 1 1 n y s 7 5 ，2 9 7 ，1 9 9 4 1 6b f i s c h e ra n 越h o f m 日a n ，a p p l p h y s l e t t 。7 6 , 5 8 3 ，2 0 0 0 1 7xw a n g , 矿c h a n d r a m o u l i ，c 随m a z i a r , a n daf lt a s c h ，工a p p l p h y s 1 9 9 3 1 8 乩v f i s c h e t t i ，s bl a u x ，a n dbc r a b b e ，ja p p l p h y s 7 8 ，1 0 5 8 ， 1 9s j a l l e p a l l i ， lr a s h e d ，wks h i h ，c 乩m a z i a r ，a n d 九ft a s c h ， p h y s 8 1 ，2 2 5 0 ，1 9 9 7 1 9 8 0 1 9 8 7 7 3 ，3 3 3 9 , 2 0 地- cc h e n g ，r c h e n n u p a t i ，a n dvw e n 工a p p l p h y s 7 8 4 4 9 0 , 1 9 9 5 2 1ke m y e r s ，qw a n g , a n ds ld e x h e i m e r p h y s r e v b 6 4 ，1 6 2 3 0 9 ，2 0 0 1 8 四川大学硕士学位论文 2 2p p p r o n k o ，e t a 1 ，p h y s r e v b 5 8 ，2 3 8 7 ，1 9 9 8 2 3s lj o h n s o n l ，e t a 1 ，a p p l p h y s l e t t 2 0 0 3 2 4d 丸池z u r e n k o ，e t a i ，p h y s r e v ll e t t 9 l ，2 1 3 9 0 3 ，2 0 0 3 2 5t a e y c h o i ，a p p l p h y & l e t t ，2 0 0 4 2 2 砚c0 0 w n e ra n dc 矿s h a n k ，p 1 y s r e v b e t t 5 色7 6 1 ，1 9 8 6 2 3a e s s e l , 札k u t t ，札s t r a h n e n ，qm a i d h o r n , a n dhk u r z ，a p p l s u r f s c i ，4 6 , 4 4 6 , 1 9 9 0 2 4fed o a n y ，d eg r i s c h k o w s k y ，a n dc c 哺i ，a p p l p 1 y s l e t t 5 0 ，彻，1 9 8 7 2 5ac h i n & y | l e e ，cl i n ，a n ds f _ l t o r r 强i b i d6 9 , 6 5 3 , 1 9 9 6 2 6fe d o a n ya n dd eg r i s c h k o w s k y ，a p p l n l y k t t ，5 2 ，3 6 ，1 9 8 8 2 7i 9 _ k u “t t ae s s e r , ks e i b e r t ，u l e r , a n dh - k u r z p r o c s p i e1 2 8 8 , 1 5 4 1 9 9 0 2 8t t a n a k a , a _ l i a r a t a , a n dt s a w a d a , 工a 0 p 1 p h y s 8 2 ，4 0 3 3 ，1 9 9 7 2 9 九j - s a b b a ha n dd t l i l r i f f e ，工a p p l p h y s ，8 8 ，6 9 5 4 ，2 0 0 0 3 0tt a n a k a , 丸h a r a t a , a n dt s a w a d a , j p n j a p p l p h y s 3 5 ，3 6 4 2 ，1 9 9 6 3 lc 址l i ，五cy i n g , t s j o d i n , a n dh - ld a i ，a p p l 。p b y s 。l e t t ，6 6 , 3 5 0 1 ，1 9 9 5 3 2chl i ，ts j 0 d i n ，a n dh d a i ，p h y s r e v b5 6 1 52 5 2 1 9 9 7 3 3ts j o d i n ，hp e t e k , a n dh - l d a i ，p h y s r e v l e t t 8 1 ，5 6 6 4 ，1 9 9 8 3 4rb u h l e i e r ，丘l up k e ，g t m a r o w s k y ，z 6 0 9 0 l a k , a n dj k u h l ，p h y s r e v b5 0 ， 2 4 2 5 1 9 9 4 ， 3 5 工e r o t h e n b e r g , o p t l e t t ，1 3 ，7 1 3 ，1 9 8 0 3 6nb w r i g h ta n dv eg u s e v ，a p p l p l y s l e t t 6 6 ，l1 9 0 ，1 9 9 5 3 7j b o k o r ，rs t o r z ，r rf r e e m a n ，a n dp i t b u c k s b a t n ，p h y s r e vl e t t 5 7 ，8 8 1 ， 1 9 8 6 3 8mj h a l a sa n d 工b o k o r ，p h y s r e v l e t t 6 2 ，1 6 7 9 ，1 9 8 9 3 9 札mr o w e ll i u ，只w i l l i a m s ，a n dr tw i l l i 锄s ，p h y s r e v b4 7 ，2 0 勰，1 9 9 3 4 0 工rg o l d m a na n dj a p r y b y l a , p h y s r e v l e t t 7 2 ，1 3 6 4 , 1 9 9 4 4 1s j e o n g lz a c h a r i a s ，a n dj b o k o r , p h y s r e v b5 4 ，r 1 73 0 0 ，1 9 9 6 4 2s j e o n ga n d 工b o k o r , p h y s r e v b5 9 ，4 9 4 3 ，1 9 9 9 4 3ts j o d i nc 札l i ，h p e t e k ，a n dh - ld a i ，( h np h y s 2 5 1 ，2 0 5 ，2 0 0 0 9 四川大学硕士学位论文 4 4res e r n e l i u s ，p h y s r e ub4 0 ，1 24 3 8 ，1 9 8 9 4 5r z i m m e r m a l l ，p h y s s t a t u ss o l i d ib1 4 6 ，3 7 1 ，1 9 鹋 4 6c h e n z h iz h a n g ，s t e v eew a i k i n s ，m i c h a e lfb e e h e r l a s e r - i n d u c e dd a m a g et os i l i c o n c h a r g e c o u p l e di m a g i n gd e v i c e s e j o p t i c a le n g i n e e r i n g ，1 9 9 1 ，3 0 ( 5 ) ：6 5 1 _ 6 5 7 4 7m i c h a e lf b e c k e t ，c h e n z h iz h a n g ，l u d o v i cb l a r r e 。e ta 1 l a s e r - i n d u c e df u n c t i o n a l d 嗍et os i l i c o nc o ) s e n s o ra r r a y s a s p i e c 1 9 9 1 。9 0 1 1 6 2 4 ：6 7 - 7 9 镐c h e n z h iz | l 蛳l u d o v i cb l a r r e r e d g e rmw a l s e r , e ta 1 m e c h a n i s m sf o r l a s e r - i n d u c e df u n c t i o n a ld 删增et os i l i c o nc h a r g e - c o u p l e di m a g i n gs e n s o r s 哪 a p p l i 皿o p t i c s 1 9 9 33 2 ( 2 7 ) ：5 2 0 1 5 2 1 0 4 9 沈中化 陆龟倪晓武皮秒和纳秒脉冲激光作用于半导体材料的加热机理研究叫 中国激光1 9 9 9 ，2 6 ( 9 ) 5 0 倪晓武，陆建，贺安之激光对c c d 器件破坏时几种闽值的测量 j 激光技 术1 9 9 4 ( 6 ) ， 5 l 钟海荣，陆启生，文铁峰激光辐射0 回的破坏机理分析叨强激光与粒子 柬1 9 9 8 ( 1 1 ) 5 2b a r t i l if ，e s t e r o w i t zl ，k r u e r 驵e ta 1 a p d io p t ，1 9 7 7 ，1 6 ( 1 1 ) ：2 9 3 4 ，2 9 3 7 1 0 婴型查兰堡主兰堡垒兰 第二章半导体的超- 陕驰豫过程 2 1 半导体能带结构 2 1 1 直接带隙和间接带隙半导体 一些常见的半导体如s i ，g e ，g a a s 和a l a s 的能带结构如图2 1 所示“1 。 4 宅。 裔- 4 - 8 1 2 ：鑫盎 冬2 、q ，7 、： _ _ 一、 0 歹 - _ j 峻瓞么 ； 7歹 _ i _ 图z1s i ，g e g a a s 和a l a s 的能带结构 它们的共同特征是价带在f e r m i 能级b ( 图中的零点) 之下，而导带在p e n n i 能级之匕。但鲫弛有重要的区别。对于懒半导体，价带顶和导带j 削眵0 在k 值相同的一条线上，价带顶和导带底之间的光跃迁可通过单光子的吸收或 是发射来完成。这类半导体称为直接带隙半导体。而对于元素半导体( s i 和g e ) ， 悔晰样了，价糯和导带j 朗涟同个k 值线e ，价带顶和导带j 彘之间 的光蹋壬! 燃伴随着一个对k 的补偿过程，即发射或是吸收声子，这类半导体 称为间接带隙半导体。 2 1 2 有效质量 四川大学颈士学位论文 半导体的电子特性完全由数量很少的导带激发电子和价带空穴决定。这些 载流子运动状态的变化是半导体内部势场和外电呖作用的综合效果。但是要描 述内部势场的具体形式并目求得对电子运动状态的影响有很大的困难，有效质 量的引进，使内部势场的作用可以由有效质量加以概括，这样直接就可以把外 电场力和载流子的运动状态变化联系起来。因此半导体载流子的有效质量是一 个相当重要的参数“。 直接带隙半导体的电子和空穴的有效质量的计算比菠简单。间接带隙半导 体有效质量的计算则要复杂些。s i 和g e 的导带边界不在k = o 处，对于s i 来 说在导带边界那儿的自最量面是球形的，有效质量是脯球形的，这相对简单些。 但是s i 的价带边界在k = o 处，具有轻空穴带和由于自旋轨道相互作用引起的分 裂。但是能量面不是球型而是有扭曲，使得有效质量的表征相当繁复。通常用 到有搿l 质量，都可以宜拄拟半导体槲的参数表中查出。 2 2 半导体材料与超短脉冲激光的相互作用 平衡条件下半导体内部的电子和空穴是眠叭f e r m i - d i r a c 分布的，而表征 晶格激发状态的声予服从b o s e - e i n s t e i n 分布。半导体材料在没有外场作用时， 内部能量和动量通过载流子一载流子散射和载流子一声予散射作用相互交换，并 使得相互之间达到平衡，即可以用同一个温度来描述。在这种条件下，载流子 和声子系统的平均动量为零，平均自邕量q 与它们的温度相对应。当半导体材料 被激光辐照过后，平衡状态被破坏，在这种情况下，载流子系统和晶格有不同 的温度。一旦材料处于非平衡态，不同的散射过程，主要是载流子载流子散 射和载流子一声子散射就迅速地使得载流子的平均温度驰豫至晶格温度，平均动 量也驰豫到零。载流子动量和能量的驰豫速率由不同的散射特性和参与驰豫过 程的散射的数量决定。 图2 2 显示线偏振单色光超短脉冲( 时间序列上是个d 函数) 辐照半导体 材料后，各个典型过程发生的流程图”。半导体材料吸收一个能量大于禁带宽 度e 。的光子，光子能量为向，这样就会产生一个剩除动能为( h c g o e ，) 的 电子一空穴对。这个线偏振单色场产生的电子一空穴的能量分布在很窄范围，在 动量空间的特定方向呈现出峰值，如图2 2 ( a ) 所示。然而，弹陛和非牵生散 四川大学硕士学位论文 射在几十个飞秒内会使动量分布发生随机变化。 “必釜譬| ：= ：游釜娑| ：= ： 遂 妒一 ：等夕。：麓筘 一。故一黔 豳2 2 半导漆激发和随后s 疆颤嘲流程 激发过后，电子有效质量由于比空穴的要小得多，因而拥有大部分的额外 动能。这就是说开始电子和空穴就应该当成有各自温度分布的分立系统。电 子一电子碰撞 1 1 空穴一空穴碰瞳都与它们的浓度相关。在载流子浓度大于1 0 ”c 矿 情况下，这些碰撞过程发生的时问尺度为 1 0 _ ”s ，即在这个时间尺度内使得载 流子趋于热平衡，即服从f e r m i d i r a c 分布，如图2 2 ( b ) 、( c ) 所示。随着 时间的推移，载流子通过不同的散射机制，最主要的是载流子光学声子散射机 制，丧失它们的额外动能，并趋于与品格形成热平衡。同时，载流子一光学声子 散射过程使得非平衡光学声子的数量急剧上升，通过声子一声子相互作用，这些 光学声子与其它晶格模式趋于热平衡“，如图2 2 ( d ) 所示。 2 2 1 半导体的激发过程 在激发过程中，光子与载流子相互作用并把能量传到电子和空穴上。光 子在激发作用过程中，遵循能量和动量守恒。因为光的波长旯比晶格常数日大 得多，光子的动量盯比电子的动量k 小得多，即： 五”辞，口：兰 0 ，e ，为半导体材料的禁带宽度。光入射到样品表面后，通常 发生单光子吸收、多( 双) 光子吸收和自由载流子吸收。单光子吸收能产生一 个电子一空穴对，其初始能量为( e e 。) 。多光子吸收产生的电子空穴对初 始能量要比前者高。自由载流子吸收不增加总的自由载流子数目，但使得单个 自由载流子有额外的附加动能 。 图2 9 入射激光能量在载流子和晶格中的演化过程 当载流子的浓度足够高时，载流子碰撞发生的时间尺度 1 0 1 y a m a ，在这种条件下，占据优势的 是俄歇复合。俄歇复合使载流子的浓度减小，但却会增加自由载流子的能量， 即提高自由载流子的温度。与之相反的过程是碰撞离化。所以净复合速率r 的 表达式如下所示： r = 一，3 + 万( i ) _ ( 2 - 1 9 ) y 是俄歇复合系数，占是碰撞离化系数。 本文实验使用的激光中心波长为8 0 0 啪，光子能量l5 e v ，硅的禁带宽度 为1 1 e v ，所以激光辐照s i 样品表面时，单光子吸收是主要过程。但是超短脉 冲的光强较强，所以在电子一空穴对产生项g 中还必须要考虑到双光子吸收。 这样貌们