毫秒脈沖激光輻照硅基四象限探測器單一象限輸出電流研究

李晨昂，王頔，魏智，金光勇

（長春理工大學(xué) 物理學(xué)院，長春 130022）

硅基QPD光電探測器在激光光學(xué)系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用［1］，但人們對其機(jī)理的研究非常有限。長春理工大學(xué)周鳴岐［2］進(jìn)行毫秒激光輻照硅光電探測器損傷研究，付耀龍［3］對長脈沖激光輻照硅材料的損傷進(jìn)行研究，對溫度場、熱應(yīng)力場進(jìn)行分析和數(shù)值模擬。在此基礎(chǔ)上，彭博［4］對毫秒長脈沖激光輻照探測器的損傷機(jī)理進(jìn)行研究。陳酒等人［5］對長脈沖激光輻照在線硅基APD的溫度進(jìn)行了研究。邵俊峰［6］對100 fs、800 nm短脈沖激光對硅及硅基光電器件的損傷效應(yīng)與機(jī)理進(jìn)行研究。張輝等人［7］及程韋［8］團(tuán)隊(duì)分別根據(jù)誤差理論推導(dǎo)出光斑模型下位置檢測精度與光斑半徑的數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值仿真得出光斑大小和光斑強(qiáng)度與測量精度的關(guān)系。牛燕雄等人［9］及梁巍巍等人［10］均就激光破壞四象限器件進(jìn)行研究，前者通過實(shí)驗(yàn)獲得激光輻照四象限硅光電池中一個(gè)或幾個(gè)象限，可造成硅光電池對光斑質(zhì)心測量產(chǎn)生誤差的結(jié)論；后者建立四象限探測器模型，分析了四象限探測器不同損傷距離下激光制導(dǎo)武器的脫靶量。Mannino G等人［11］研究了毫秒脈沖激光作用晶體硅使硼激活的現(xiàn)象。Barbari? ? P 等人［12］利用四象限探測器對光斑位置進(jìn)行誤差估計(jì)。利用QPD對光斑偏差位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在偏差趨于測量范圍限制時(shí)，QPD能夠?qū)崿F(xiàn)快速錯(cuò)誤點(diǎn)位置的測量。同時(shí)得出電子噪聲是引起測量誤差的重要原因，并對象限探測器的定位裝置的靈敏度進(jìn)行分析。Castello M等人［13］利用象限探測器進(jìn)行圖像掃描，大幅度提高圖像質(zhì)量和分辨率。Vera-Marquina A［14］利用高靈敏度象限探測器實(shí)現(xiàn)低成本、低消耗、低功率的集成CMOS電路的設(shè)計(jì)。Jo S等人［15］利用象限探測器提高激光雷達(dá)系統(tǒng)測量范圍和測量精度。截至目前，國內(nèi)外關(guān)于四象限光電探測器輸出電流的研究鮮有報(bào)道。本文通過建立毫秒脈沖激光輻照硅基QPD光電探測器的電學(xué)模型，開展激光輻照象限輸出電流測量實(shí)驗(yàn)，給出了毫秒脈沖激光輻照QPD光電探測器激光輻照象限輸出電流的變化規(guī)律。

1 激光輻照硅基QPD探測器物理模型

本文研究所用硅基P-I-N型四象限探測器（即QPD探測器）為多層結(jié)構(gòu)，其剖面結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中光敏區(qū)P區(qū)是高摻雜的P型半導(dǎo)體，分為結(jié)構(gòu)樣式完全相同的四部分，即四個(gè)象限；I區(qū)是接近本征的N型半導(dǎo)體；N區(qū)是高摻雜的N型半導(dǎo)體，四象限共I、N區(qū)。各層結(jié)構(gòu)基本參數(shù)及摻雜濃度表如表1所示。

圖1 硅基P-I-N型QPD光電探測器剖面結(jié)構(gòu)圖

表1 硅基QPD探測器各層結(jié)構(gòu)及摻雜濃度表

毫秒脈沖激光與施加反向偏壓的硅基QPD探測器相互作用過程中，硅基QPD探測器產(chǎn)生光的吸收，使其內(nèi)部形成電子-空穴對，即光生載流子。這些非平衡載流子將在溫度梯度、外加電場、濃度梯度的影響下產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)。

通過分析得探測器施加較高反向偏壓時(shí)的電場分布如下：

式中，ND(x,y,z,t)和WLN(T,t)分別是N區(qū)施主能級分布和N區(qū)耗盡層長度，NA(x,y,z,t)和WLP(T,t)分別為P區(qū)受主能級分布和P區(qū)耗盡層長度。

當(dāng)用適當(dāng)波長的光輻照硅基QPD探測器時(shí)，硅基QPD探測器內(nèi)部載流子濃度分布發(fā)生變化，從而引起載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：

式中，(Jn)擴(kuò)(T,z,t)和Dn(T)分別為電子擴(kuò)散電流密度和電子擴(kuò)散系數(shù)，(Jp)擴(kuò)(T,z,t)和Dp(T)分別為空穴擴(kuò)散電流密度和空穴擴(kuò)散系數(shù)。

硅基QPD探測器非平衡載流子濃度不均勻時(shí)，同時(shí)硅基QPD探測器存施加反向偏壓，那么載流子存在漂移運(yùn)動(dòng)：

式中，(Jn)漂(T,x,y,z,t)和μn(T)是電子漂移電流密度和電子遷移率；(Jp)漂(T,x,y,z,t)和μp(T)分別為空穴漂移電流密度和空穴遷移率。

在激光輻照過程中，硅基QPD探測器內(nèi)部存在溫度梯度，載流子將由于溫度梯度形成從高溫到低溫的熱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：

式中，E(T,x,y,z,t)為t時(shí)刻、溫度為T時(shí)刻下，x,y,z處的電場強(qiáng)度；ξn為 N 型一側(cè)的EF-EC；ξp為 P型一側(cè)的EV-EF；εn為電子的動(dòng)能；εp為空穴的動(dòng)能。

2 激光輻照硅基QPD探測器結(jié)果與分析

2.1 仿真結(jié)果

圖2為激光脈沖寬度為1.0 ms時(shí)硅基QPD探測器第二象限輸出電流隨時(shí)間變化關(guān)系。當(dāng)激光能量密度為21.36 J/cm2時(shí)，毫秒脈沖激光作用的硅基QPD探測器第二象限的輸出電流第二峰值為20.89 μA，恢復(fù)時(shí)間為0.84 ms，當(dāng)激光能量密度為38.30 J/cm2時(shí)，毫秒脈沖激光作用的硅基QPD探測器第二象限的輸出電流第二峰值為24.60 μA，恢復(fù)時(shí)間為1.13 ms，當(dāng)激光能量密度為54.78 J/cm2時(shí)，毫秒脈沖激光作用的硅基QPD探測器第二象限的輸出電流第二峰值為37.78 μA，恢復(fù)時(shí)間為1.83 ms，當(dāng)激光能量密度為67.22 J/cm2時(shí)，毫秒脈沖激光作用的硅基QPD探測器第二象限的輸出電流第二峰值為39.23 μA，恢復(fù)時(shí)間為2.72 ms。

圖2 脈沖寬度1.0 ms，不同激光能量密度下硅基QPD探測輸出電流隨時(shí)間變化關(guān)系

圖3為激光脈沖寬度為1.5 ms時(shí)，硅基QPD探測器第二象限輸出電流隨時(shí)間變化關(guān)系。當(dāng)激光能量密度為21.03 J/cm2時(shí)，毫秒脈沖激光作用的硅基QPD探測器第二象限的輸出電流第二峰值為31.89 μA，恢復(fù)時(shí)間為0.77 ms，當(dāng)激光能量密度為32.47 J/cm2時(shí)，毫秒脈沖激光作用的硅基QPD探測器第二象限的輸出電流第二峰值為24.79 μA，恢復(fù)時(shí)間為0.93 ms，當(dāng)激光能量密度為49.05 J/cm2時(shí)，毫秒脈沖激光作用的硅基QPD探測器第二象限的輸出電流第二峰值為35.40 μA，恢復(fù)時(shí)間為2.09 ms，當(dāng)激光能量密度為67.22 J/cm2時(shí)，毫秒脈沖激光作用的硅基QPD探測器第二象限的輸出電流第二峰值為36.99 μA，恢復(fù)時(shí)間為2.98 ms。

圖3 脈沖寬度1.5 ms，不同激光能量密度下硅基QPD探測輸出電流隨時(shí)間變化關(guān)系

圖4為激光脈沖寬度為2.0 ms時(shí)，硅基QPD探測器第二象限輸出電流隨時(shí)間變化關(guān)系。當(dāng)激光能量密度為28.53 J/cm2時(shí)，毫秒脈沖激光作用的硅基QPD探測器第二象限的輸出電流第二峰值為30.64 μA，恢復(fù)時(shí)間為0.63 ms，當(dāng)激光能量密度為37.25 J/cm2時(shí)，毫秒脈沖激光作用的硅基QPD探測器第二象限的輸出電流第二峰值為33.31 μA，恢復(fù)時(shí)間為0.88 ms，當(dāng)激光能量密度為56.90 J/cm2時(shí)，毫秒脈沖激光作用的硅基QPD探測器第二象限的輸出電流第二峰值為37.31 μA，恢復(fù)時(shí)間為2.16 ms，當(dāng)激光能量密度為74.51 J/cm2時(shí)，毫秒脈沖激光作用的硅基QPD探測器第二象限的輸出電流第二峰值為39.35 μA，恢復(fù)時(shí)間大于3 ms。

圖4 脈沖寬度2.0 ms，不同激光能量密度下硅基QPD探測器的輸出電流隨時(shí)間的變化關(guān)系

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果

毫秒脈沖激光輻照硅基QPD探測器的輸出電流測量實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。實(shí)驗(yàn)中使用了Melar-10激光器，設(shè)置其激光脈寬為1.5 ms，激光空間分布為高斯分布。實(shí)驗(yàn)所用QPD樣品為GT111型硅基P-I-N型QPD光電探測器，光敏面為φ4 mm，響應(yīng)波長范圍為400～1 100 nm。本實(shí)驗(yàn)采用的激光波長為1 064 nm，屬于波段內(nèi)激光作用，所以探測器在激光作用過程中會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。將探測器加載到固定偏壓（40 V）下，通過測量其輸出電流，可以得到1 064 nm毫秒脈沖激光輻照硅基QPD探測器過程中輸出電流的變化。激光輻照只針對于第二象限，從而定量分析1 064 nm脈沖激光輻照硅基QPD探測器過程中硅基QPD探測器激光輻照象限輸出電流的變化。

圖5 1 064 nm毫秒脈沖激光輻照硅基QPD探測器的輸出電流測量裝置

圖6為激光脈沖寬度為1.0 ms時(shí)，硅基QPD探測器第二象限輸出電流隨時(shí)間變化關(guān)系。當(dāng)激光能量密度為21.36 J/cm2時(shí)，毫秒脈沖激光作用的硅基QPD探測器第二象限輸出電流第二峰值為25.80 μA，恢復(fù)時(shí)間為0.74 ms；當(dāng)激光能量密度為38.30 J/cm2時(shí)，毫秒脈沖激光作用的硅基QPD探測器第二象限輸出電流第二峰值為30.00 μA，恢復(fù)時(shí)間為0.93 ms；當(dāng)激光能量密度為54.78 J/cm2時(shí)，毫秒脈沖激光作用的硅基QPD探測器第二象限輸出電流第二峰值為37.60 μA，恢復(fù)時(shí)間為1.73 ms；當(dāng)激光能量密度為67.22 J/cm2時(shí)，毫秒脈沖激光作用的硅基QPD探測器第二象限輸出電流第二峰值為40.40 μA，恢復(fù)時(shí)間為2.15 ms。

圖6 脈沖寬度為1.0 ms，不同激光能量密度下硅基QPD探測輸出電流隨時(shí)間變化關(guān)系

圖7為激光脈沖寬度為1.5 ms時(shí)，硅基QPD探測器第二象限輸出電流隨時(shí)間變化關(guān)系。當(dāng)激光能量密度為27.03 J/cm2時(shí)毫秒脈沖激光作用的硅基QPD探測器第二象限的輸出電流第二峰值為36.80 μA，恢復(fù)時(shí)間為0.98 ms；當(dāng)激光能量密度為32.47 J/cm2時(shí)，毫秒脈沖激光作用的硅基QPD探測器第二象限的輸出電流第二峰值為37.61 μA，恢復(fù)時(shí)間為1.05 ms；當(dāng)激光能量密度為49.05 J/cm2時(shí)，毫秒脈沖激光作用的硅基QPD探測器第二象限的輸出電流第二峰值為38.40 μA，恢復(fù)時(shí)間為1.93 ms；當(dāng)激光能量密度為65.81 J/cm2時(shí)，毫秒脈沖激光作用的硅基QPD探測器第二象限的輸出電流第二峰值為39.60 μA，恢復(fù)時(shí)間為 2.69 ms。

圖7 脈沖寬度為1.5 ms，不同激光能量密度下硅基QPD探測輸出電流隨時(shí)間變化關(guān)系

圖8為激光脈沖寬度為2.0 ms時(shí)，硅基QPD探測器第二象限輸出電流隨時(shí)間變化關(guān)系。當(dāng)激光能量密度為28.53 J/cm2時(shí)，毫秒脈沖激光作用的硅基QPD探測器第二象限的輸出電流第二峰值為36.00 μA，恢復(fù)時(shí)間為1.14 ms；當(dāng)激光能量密度為37.25 J/cm2時(shí)，毫秒脈沖激光作用的硅基QPD探測器第二象限的輸出電流第二峰值為37.60 μA，恢復(fù)時(shí)間為0.92 ms；當(dāng)激光能量密度為56.90 J/cm2時(shí)，毫秒脈沖激光作用的硅基QPD探測器第二象限的輸出電流第二峰值為39.21 μA，恢復(fù)時(shí)間為2.17 ms；當(dāng)激光能量密度為74.51 J/cm2時(shí)，毫秒脈沖激光作用的硅基QPD探測器第二象限的輸出電流第二峰值為39.63 μA，恢復(fù)時(shí)間大于3 ms。

圖8 脈沖寬度為2.0 ms，不同激光能量密度下硅基QPD探測輸出電流隨時(shí)間變化關(guān)系

圖 9（a）、圖 9（b）、圖 9（c）分別為激光脈沖寬度為 1.0 ms、1.5 ms、2.0 ms的毫秒脈沖激光與外置偏壓40 V下的硅基QPD探測器單一象限作用時(shí)輸出電流隨時(shí)間演化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的對比圖。從圖中可以看出，實(shí)驗(yàn)測量的輸出電流和數(shù)值仿真的輸出電流的演化規(guī)律以及趨勢基本吻合。并能夠從圖中可以看到，實(shí)驗(yàn)與仿真吻合度較好。

圖9 不同脈沖寬度毫秒脈沖激光輻照硅基QPD探測器輸出電流隨時(shí)間演化的實(shí)驗(yàn)仿真數(shù)據(jù)對比

圖 10（a）、圖 10（b）、圖 10（c）分別為激光脈沖寬度為1.0 ms、1.5 ms、2.0 ms的毫秒脈沖激光與外置偏壓40 V下的硅基QPD探測器單一象限作用時(shí)激光輻照象限輸出電流第二峰值隨能量密度的變化關(guān)系圖。從圖中可以看出，輻照象限產(chǎn)生的第二峰值隨著激光能量密度的增大而增大。

圖10 不同脈沖寬度毫秒脈沖激光輻照硅基QPD探測器輻照象限輸出電流第二峰值隨能量密度的變化關(guān)系

圖 11（a）、圖 11（b）、圖 11（c）分別為激光脈沖寬度為 1.0 ms、1.5 ms、2.0 ms的毫秒脈沖激光與外置偏壓40 V下的硅基QPD探測器單一象限作用時(shí)激光輻照象限電流恢復(fù)時(shí)間（激光作用結(jié)束時(shí)間到電流恢復(fù)至激光作用前的時(shí)間）隨能量密度的變化關(guān)系圖。從圖中可以看出，激光輻照結(jié)束后的電流恢復(fù)時(shí)間隨著激光能量密度的增大而增大。

圖11 不同脈沖寬度毫秒脈沖激光輻照硅基QPD探測器輻照象限電流恢復(fù)時(shí)間隨能量密度的變化關(guān)系

3 結(jié)論

本文開展了毫秒脈沖激光輻照硅基QPD探測器單一象限時(shí)，激光輻照象限輸出電流變化的規(guī)律和特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)研究。得到以下結(jié)論：激光輻照硅QPD探測器單一象限時(shí)，該象限存在輸出電流，輸出電流主要分為三個(gè)階段：（1）激增階段：在激光輻照硅基QPD探測器單一象限時(shí)，輻照象限輸出電流先迅速升高到一峰值；（2）平緩階段：輸出電流從峰值迅速下降到一定值后緩慢下降；（3）恢復(fù)階段：激光作用結(jié)束后，輸出電流出現(xiàn)電流弛豫震蕩現(xiàn)象，后恢復(fù)至原值。在激光輻照結(jié)束后，輸出電流出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象，形成第二峰值，且第二峰值、電流恢復(fù)時(shí)間隨著激光能量的增大而增大。其研究結(jié)果為激光輻照硅基QPD探測器的輸出電流的機(jī)理奠定基礎(chǔ)。