外接電容對(duì)脈沖激光輻照Si-APD時(shí)的溫升影響

陳 良,魏 智,王 頔,劉紅旭,金光勇

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 吉林省固體激光技術(shù)及其應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長(zhǎng)春 130022)

1 引 言

隨著激光技術(shù)的飛速發(fā)展,與之結(jié)合使用的光電探測(cè)器也得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1-4]。與此同時(shí),激光與光電探測(cè)器的相互作用得到了大量地研究,其中,作為激光作用對(duì)象的光電探測(cè)器可以分為非雪崩光電探測(cè)器和雪崩光電探測(cè)器兩種。早在1974年,J.F.Giuliani和C.L.Marquardt對(duì)激光輻照光電晶體管前后的暗電流,光電流和響應(yīng)度等光電性能參數(shù)進(jìn)行了研究[5-6]。1991年陸啟生等研究了激光輻照InSb探測(cè)器的溫升過程及損傷機(jī)制[7]。Gautier B和Moeglin P等研究了激光輻照導(dǎo)致的光電探測(cè)器的物理損傷與電學(xué)性能下降之間的關(guān)系[8-10]。針對(duì)雪崩類光電探測(cè)器,1990年Steve E.Watkins等人[11]利用1064 nm Nd∶YAG激光輻照雪崩光電二極管,對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的反向飽和電流、噪聲電流、擊穿電壓、結(jié)電容和表面形貌損傷進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。2000年,薛建國(guó)等[12]用脈沖激光實(shí)驗(yàn)研究了雪崩二極管的損傷閾值與脈沖激光的重復(fù)頻率、輻照時(shí)間的關(guān)系。2018年,本人所在研究組發(fā)現(xiàn)了毫秒脈沖激光與Si-APD相互作用時(shí),其內(nèi)部的焦耳熱起到了較大的作用[13]。

事實(shí)上,光電探測(cè)器在實(shí)際使用中往往要和電容相串聯(lián),其主要目的是隔絕直流背景分量、更好地提取脈沖信號(hào),以便于后續(xù)電路的脈沖信號(hào)放大處理。更進(jìn)一步來說,電容和電阻性元件所組成的選頻網(wǎng)絡(luò)還能夠?yàn)V除其他頻率的雜波、進(jìn)而提高了脈沖信號(hào)的信噪比。另一方面,光電探測(cè)器吸收激光能量后往往導(dǎo)致自身的溫升而影響了探測(cè)性能。從目前的研究來看,人們并沒有考慮到外接電容對(duì)激光輻照光電探測(cè)器時(shí)溫升特性的影響。本論文首次開展了外接電容對(duì)毫秒脈沖激光輻照外接電容電路中Si-APD的溫升特性研究,獲得了外接電容對(duì)Si-APD表面溫升的影響規(guī)律,這為Si-APD在實(shí)際應(yīng)用中的熱損傷防護(hù)以及外接電路中電容大小的選取提供了理論依據(jù)。

2 模型建立

當(dāng)毫秒脈沖激光與反偏電壓下外接電容電路中的Si-APD相互作用時(shí),其熱傳導(dǎo)方程可寫為[14-15]:

(1)

其中,T(r,z,t),ρ,c,k分別是溫度場(chǎng)分布、材料密度,比熱和熱導(dǎo)率；QL(r,z,T)是外部激光熱源；QE(r,z,T)是內(nèi)部焦耳熱源。QL(r,z,T)可進(jìn)一步寫成:

(2)

其中,E是激光的單脈沖能量;rlas是位于探測(cè)器表面的激光光斑半徑;τ是激光的脈沖寬度;R(T)和α(T)分別是硅的反射系數(shù)和吸收系數(shù);g(t)是激光束的時(shí)間分布。這些參量定義為:

(3)

(4)

(5)

焦耳熱可寫成電場(chǎng)和電流密度的乘積,即:

QE(r,z,T,t)=E(z)JL(r,z,T,t)

(6)

E(z)是p-n結(jié)的內(nèi)部電場(chǎng)。電流密度由下式給出[16-17]:

JL(T,r,t)=

(7)

(8)

n型載流子和p型載流子的電場(chǎng)分別為:

(9)

(10)

其中,zn和zp分別是n型載流子和p型載流子的p-n結(jié)的勢(shì)壘邊界。式中,z的范圍為zn≤z≤zp。

當(dāng)t=0時(shí),材料的初始溫度是均勻的,并且環(huán)境溫度通常被認(rèn)為是:

Tt=0=Ti(0)=298 K

考慮到以激光熱和焦耳熱作為熱源,對(duì)其他表面采用了絕熱邊界條件,其條件如下:

(11)

(12)

3 模型仿真

在理論模型的基礎(chǔ)上,對(duì)能量密度為15 J/cm2的1.0 ms脈沖激光輻照不同外接電容電路中Si-APD的表面溫升進(jìn)行仿真模擬。除上述提及的變量外,模擬中使用的其他變量為:材料密度ρ=2330-2.19×10-2T(kg·m-3),比熱c=352.43+1.78T-2.21×10-2T2+1.3×10-6T3-2.83×10-10T4(J·kg·K-1),導(dǎo)熱系數(shù)k=22.23+422.52×exp(-T/255.45)(W·m-1-1),τn=10×10-6s,τp=10×10-6s,其中m0是電子質(zhì)量。由于激光強(qiáng)度高,且倍增區(qū)很薄,因此考慮M=1。圖1為能量密度為15 J/cm2、脈沖寬度為1.0 ms的脈沖激光輻照不同外接電容電路中Si-APD的表面溫升的仿真結(jié)果。從圖中可以看出,雖然入射激光的能量密度、

圖1 能量密度為15 J/cm2的1 ms脈沖激光輻照不同電容電路中Si-APD表面升溫過程模擬仿真結(jié)果

脈沖寬度相同,但是當(dāng)無外接電容時(shí),Si-APD的表面最高溫度為1087 K,然而當(dāng)先后接入1 μF、100 nF、47 pF時(shí),Si-APD的表面最高溫度分別為997 K、954 K、932 K,相對(duì)于無外接電容情況,表面溫度分別降低了90 K、133 K、155 K。由此可以看出,電容越小,Si-APD表面溫度的最高值越低。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的根本原因是Si-APD表面的溫升由外部的激光和內(nèi)部的焦耳熱共同作用所產(chǎn)生的。由于外接電容的存在,對(duì)回路中的電流起到了一定的阻礙作用,電容值越小,對(duì)電流的阻礙能力越強(qiáng),從而限制了Si-APD內(nèi)部焦耳熱的進(jìn)一步產(chǎn)生,所以外接電容越小,Si-APD表面的溫度就越低。

4 實(shí)驗(yàn)裝置

為了對(duì)毫秒脈沖激光輻照Si-APD的溫升特性進(jìn)行深入研究,本論文采用Nd∶YAG毫秒脈沖激光作為輻照光源,其脈沖寬度為0.5～3 ms可調(diào)、波長(zhǎng)為1064 nm,輸出波形為高斯型,聚焦后光斑尺寸為360 μm。采用點(diǎn)溫儀(KLEIBER,IMGA740)對(duì)Si-APD表面的溫升過程進(jìn)行監(jiān)測(cè),其中利用激光信號(hào)對(duì)點(diǎn)溫儀進(jìn)行觸發(fā)。Si-APD同反偏電壓源、電容和限流電阻串聯(lián)在電路中。其中,反偏電壓和限流電阻大小分別為180 V和50 MΩ,電容分別選擇了1 μF、100 nF、1 nF、47 pF。實(shí)驗(yàn)采用的Si-APD為拉通型結(jié)構(gòu),由四層不同的摻雜分布和不同厚度的薄膜組成,依次為重?fù)诫sn區(qū)、p區(qū)、本征區(qū)和摻雜p區(qū),形成N+-P-π-P+柱狀結(jié)構(gòu)。各層的摻雜濃度依次為5×1019cm-3,5×1016cm-3,5×1012cm-3及1×1019cm-3。厚度分別為1 μm,3 μm,50 μm及250 μm。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 毫秒脈沖激光器輻照偏壓下的外接電路中的Si-APD的實(shí)驗(yàn)方案

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證理論模型的正確性,我們開展了不同外接電容電路條件下的激光輻照Si-APD的表面溫升實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出,在相同的激光能量密度條件下,外接電容的不同對(duì)Si-APD的表面溫升產(chǎn)生了顯著的影響。電容值越小,Si-APD表面溫度的最大值越低,這與圖1中的模擬仿真結(jié)果相一致。

圖3 能量密度為15 J/cm2的1.0 ms脈沖激光輻照不同電容電路中Si-APD的表面溫升過程

另外,從圖中還可以看出,在激光的作用初期,Si-APD表面溫升迅速,這主要是由于激光和p-n結(jié)內(nèi)部焦耳熱共同作用的結(jié)果,大約在0.1 ms左右到達(dá)溫升平臺(tái)期,并且電容值越大,溫升的平臺(tái)期越高,溫升的變化也越平坦,這主要是由于:一是p-n結(jié)溫度過高,半導(dǎo)體失效,焦耳熱消失；另一方面,隨著溫度的升高,Si的吸收系數(shù)減小,導(dǎo)致Si對(duì)入射激光的吸收降低。當(dāng)激光作用結(jié)束時(shí),Si-APD的表面溫度達(dá)到最大值,隨后,在熱傳導(dǎo)的作用下表面溫度迅速下降。

為了更詳細(xì)地研究電容對(duì)Si-APD表面溫升的影響,將能量密度為15 J/cm2的1.0 ms脈沖激光輻照不同電容電路中Si-APD的表面最高溫度提取出來,如表1所示。

表1 能量密度為15 J/cm2的1.0 ms脈沖激光輻照不同電容電路中Si-APD的最高表面溫度

從表中可以清楚地看出,激光輻照Si-APD后,在沒有外接電容的情況下,最大表面溫度達(dá)到1080 K。然而,當(dāng)外接電路與電容串聯(lián)時(shí),在相同的激光脈沖寬度和激光能量密度下,Si-APD的最高表面溫度有所降低,并且外接不同電容器時(shí)Si-APD溫降程度不同。對(duì)于1 μF電容器,溫度降低90 K,相當(dāng)于降低8.3 %；對(duì)于100 nF電容器,溫度降低120 K,相當(dāng)于降低11.1 %；對(duì)于47 pF電容器,溫度降低185 K,相當(dāng)于降低17.1 %。由此可見,電容值越低,Si-APD表面的最高溫度越低。理論模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合,驗(yàn)證了理論模型的正確性。

由式(1)可知,導(dǎo)致Si-APD表面溫度升高的主要因素有兩個(gè):Si-APD內(nèi)部的焦耳熱和其外部的激光熱源。激光致熱與激光參數(shù)和材料有關(guān),不受外部電路的影響。當(dāng)外部偏置電路中沒有外部電容時(shí),如圖4(a)所示,在激光照射下在Si-APD中產(chǎn)生的載流子被外部電路產(chǎn)生的電場(chǎng)迅速掃走,在Si-APD中產(chǎn)生大的瞬時(shí)電流。這導(dǎo)致焦耳加熱增加。因此,在沒有外部電容的情況下,激光輻照Si-APD的表面最高溫度最高。當(dāng)外部電路連接到如圖4(b)所示的大電容時(shí),隨著電容的連續(xù)充電,積累更多的電荷。這會(huì)降低電路中的電流,最終對(duì)電流產(chǎn)生阻斷效應(yīng),Si-APD中產(chǎn)生的焦耳熱也隨之降低。

圖4 毫秒脈沖激光輻照APD時(shí)不同電容值對(duì)外接電容電路電流的影響

因此,Si-APD的表面溫度降低。由于焦耳熱的降低,Si-APD的表面溫度低于沒有外接電容的表面溫度。如圖4(c)所示,當(dāng)外部電容值小時(shí),其電荷存儲(chǔ)容量減小,且更容易充電。這樣,阻止電荷運(yùn)動(dòng)的能力導(dǎo)致在Si-APD的高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)產(chǎn)生大電流的能力降低；在Si-APD中不再產(chǎn)生焦耳熱,焦耳熱的作用時(shí)間最短。因此,當(dāng)外接電路連接到最小的電容時(shí),Si-APD的表面溫度最低[18]。

6 結(jié) 論

本文建立了毫秒脈沖激光輻照Si-APD外接電容電路的理論模型,并對(duì)不同外接電容電路輻照Si-APD的表面溫升進(jìn)行了模擬仿真和實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明,外接電容對(duì)Si-APD的表面溫升具有顯著的影響。在能量密度為15 J/cm2的1.0 ms脈沖激光作用下,無外接電容時(shí)的Si-APD表面最高溫度為1080 K。然而,當(dāng)連接1 μF、100 nF和47 pF電容時(shí),Si-APD表面溫度分別下降到990 K、960 K和895 K。Si-APD的最高表面溫度隨著電容值的降低而降低。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是外接電容對(duì)回路中電流有一定的阻礙效應(yīng):外接電容越小,其對(duì)電流的阻斷能力越強(qiáng),導(dǎo)致回路中電流越小,Si-APD內(nèi)部產(chǎn)生的焦耳熱量越少。理論模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合,驗(yàn)證了理論模型的正確性。研究結(jié)果可為Si-APD在實(shí)際應(yīng)用中的熱損傷防護(hù)以及外接電路中電容大小的選取提供了理論依據(jù)。