多晶硅的高重頻皮秒脈沖激光損傷研究

李星辰+++吳強+++孫鵬飛+++蔡鵬程+++辛敏思

摘 要：文章進行了高重頻皮秒激光輻照多晶硅的損傷實驗研究，分析了多晶硅材料激光輻照區(qū)域的損傷形貌，探究了多晶硅的多脈沖損傷損傷機制。實驗結(jié)果表明：多晶硅的損傷形貌主要分為熱熔區(qū)、熱影響區(qū)及激光無作用區(qū)三個區(qū)域。多晶硅的多脈沖損傷機制主要是熱積累和微缺陷積累。

關(guān)鍵詞：多晶硅；高重頻脈沖；激光損傷；損傷機理

1 概述

多晶硅作為光電探測器的主要材料，也是當(dāng)今硅太陽能電池的重要組成部分。采用激光技術(shù)來制備太陽能電池，有提高效率、降低成本和減少電池生產(chǎn)中的污染等優(yōu)點，是目前太陽能電池研究和開發(fā)的熱點[1]。隨著大功率激光器的發(fā)展，在強激光作用下太陽能電池損傷效應(yīng)成為研究的熱點問題[2]。激光具有單色性好、方向性好、亮度高、相干性好等優(yōu)點，自從上世紀六十年代第一臺激光器研制成功，激光以其優(yōu)異的特性被廣泛應(yīng)用到工業(yè)、生物醫(yī)療、軍事對抗等眾多領(lǐng)域，且激光的應(yīng)用都涉及到激光與物質(zhì)相互作用問題。所以，研究高重復(fù)頻率脈沖激光輻照多晶硅材料的損傷機理，對于探尋激光與物質(zhì)的相互作用機理和優(yōu)化多晶硅元件的抗激光損傷特性都具有重要的理論和實際意義[3]。多脈沖激光輻照材料時，材料的低燒蝕閾值可能在低脈沖能量高重頻激光加工中應(yīng)用，以提高加工效率。

2 半導(dǎo)體材料的單脈沖激光損傷機理分析

國內(nèi)外關(guān)于半導(dǎo)體材料的單脈沖激光損傷機理進行大量的研究。1986年El-Adawi M K等研究了激光輻照半導(dǎo)體材料的加熱機理[4]。1997年倪曉武等進行了強激光對半導(dǎo)體材料的破壞研究[5]。1999年，沈中華等對皮秒和納秒脈沖激光作用于半導(dǎo)體材料的加熱機理進行了研究[6]。他們在2001年還對半導(dǎo)體材料硅的單脈沖和多脈沖激光損傷現(xiàn)象進行分析研究[7]。半導(dǎo)體材料對于激光有效的吸收機制主要有：本征吸收、激子吸收、自由載流子吸收和雜質(zhì)吸收等。本征吸收是半導(dǎo)體材料的主要吸收機制，即價帶電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生空穴-電子對。激子能級位于接近導(dǎo)帶底的禁帶中，它的電離能很小，在常溫下激子的吸收是很弱的，所以不考慮。激光可以激發(fā)產(chǎn)生大量的過剩載流子，因此自由載流子吸收也是半導(dǎo)體材料在與激光相互作用時主要的吸收機制。雜質(zhì)吸收吸收與電離的雜質(zhì)數(shù)目成正比，只有在重摻雜的情況下，才考慮雜志吸收。半導(dǎo)體材料在被單脈沖激光輻照時，其主要的損傷機制有熱熔破壞、熱致應(yīng)力損傷、雪崩電離擊穿破壞、多光子吸收電離破壞和自聚焦破壞等。

3 實驗

3.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。型號為BR-PLM-1000的重頻可調(diào)的皮秒脈沖經(jīng)過衰減片組合后，被分光鏡分為兩束。85%的激光經(jīng)過聚焦透鏡后垂直作用到多晶硅表面。2%的激光經(jīng)分光鏡反射后被激光功率計探頭實時收集，從而可以對輻照過程中的激光功率進行實時監(jiān)測。

實驗中所用的多晶硅片尺寸為：20mm×20mm×0.20mm，實驗前將多晶硅片在丙酮和乙醇中清洗。實驗過程中通過調(diào)整衰減倍率和改變激光電流來控制激光功率值，多晶硅表面損傷形貌由電子掃描顯微鏡觀測得到。

3.2 實驗結(jié)果

圖2為激光重頻為1kHz，激光輻照時間為10s，激光峰值功率密度為2.74*1010W/cm2時，多晶硅表面的損傷形貌。（a），（b）分別為顯微倍率為200x，2000x時，多晶硅被激光輻照區(qū)域SEM圖。

從圖2（a）可以看到，多晶硅表面激光輻照區(qū)域可以分為三個區(qū)域。激光光束中心輻照區(qū)域顏色較深，該區(qū)域稱為熱熔區(qū)。從（b）可以看到該區(qū)域形成一個完全將多晶硅擊穿的損傷坑，這是由于高斯光束光斑中心超高能量使材料發(fā)生了嚴重程度融化，還可以看到損傷坑邊緣發(fā)黑，這是由于激光的熱作用使材料發(fā)生了氧化反應(yīng)。熱熔區(qū)外圍白色區(qū)域即為熱影響區(qū)。熱影響區(qū)域的形成可以解釋為激光中心吸收激光能量導(dǎo)致其表面溫度迅速升高，材料內(nèi)部晶格的熱傳遞使該區(qū)域發(fā)生了輕微氧化反應(yīng)。熱影響區(qū)的外圍是激光無影響區(qū)，該區(qū)域內(nèi)存在一些沉積物，這是激光與多晶硅作用過程中光束中心輻照部分融化物質(zhì)向外噴濺造成的。

3.3 損傷機理分析

高重頻皮秒脈沖激光損傷實際上是一個多脈沖損傷過程。雖然單脈沖能量較低，甚至遠低于材料的蒸發(fā)閾值，但由于激光輻照過程中的脈沖積累使材料發(fā)生了損傷。多脈沖的主要的損傷機制有熱積累和脈沖積累。當(dāng)脈沖重復(fù)頻率不變時，熱積累是較低損傷閾值的原因被廣泛接受。高重頻激光具有較短的脈沖間隔，第一個脈沖作用材料后，材料吸收激光能量使其表面溫度升高，源源不斷的后續(xù)激光脈沖輻照多晶硅后，使多晶硅表面溫度逐漸升高，最后使材料發(fā)生熔融燒蝕。微缺陷積累是另一種主要的損傷機制。多晶硅材料在制備與加工的過程中，存在大量的微觀缺陷，這些缺陷具有比多晶硅本征吸收大的多的吸收率。因此對于高重頻激光損傷而言，雖然單個脈沖的激光能量較小，不能使材料發(fā)生宏觀損傷，但可能引起材料內(nèi)微觀缺陷的爆炸和發(fā)展，每次微觀缺陷的爆炸和發(fā)展，將增加材料對后續(xù)激光能量的吸收，最終微缺陷的積累導(dǎo)致材料發(fā)生宏觀損傷。

4 結(jié)束語

文章對高重頻皮秒脈沖輻照多晶硅的損傷進行了實驗研究。高重頻輻照多晶硅材料時，材料表面損傷形貌主要分為熱熔區(qū)、熱影響區(qū)和無激光作用區(qū)三個區(qū)域。多晶硅的多脈沖損傷機制主要有熱積累和微缺陷積累。

參考文獻

[1]張陸成，王學(xué)孟，沈輝.激光熱效應(yīng)在高效太陽電池工藝中的應(yīng)用[J].激光與光電子學(xué)進展，2009，46（5）：41-46.

[2]田秀芹.飛秒激光照射下硅/砷化鎵太陽能電池的光電特性研究[D].中南大學(xué)，2014.

[3]Stuart B C， Feit M D， Herman S， et al. Nanosecond -to-femtosecond laser-induced breakdown in dielectrics [J].PhysRev，1996，B53（4）：749-1761.

[4]El Adawi M K， Elshehawey E F. Heating a slab induced by a time dependent laser irradiance-An exact solution[J]. Journal of applied physics， 1986，60（7）：2250-2255.

[5]倪曉武，沈中華，陸建.強激光對光電器件及半導(dǎo)體材料的破壞研究[J].光電子·激光，1997（6）：487-490.

[6]沈中華，陸建，倪曉武.皮秒和納秒脈沖激光作用于半導(dǎo)體材料的加熱機理研究[J].中國激光，1999，26（9）：859-863.

[7]Shen Z， Chen J， Lu J， et al. Damage Phenomena Induced by a Single Laser Pulse and Multiple Laser Pulses in Crystal Silicon[J]. Journal of Naijing University，2001.

*通訊作者：辛敏思