硅光电二极管激光损伤阈值随激光脉宽的变化

第16卷　第6期强激光与粒子束Vol.16,No.6 2004年6月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS J un.,2004　
文章编号:100124322(2004)0620685204
硅光电二极管激光损伤阈值随激光脉宽的变化Ξ
罗　福,　江继军,　孙承纬
(中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳621900)
摘　要:　对飞秒激光辐照下硅光电二极管损伤阈值进行了实验测量,对从1s到60fs不同脉宽激光辐照
下硅光电二极管损伤阈值进行了讨论。

实验数据表明,在1s到10ns脉宽范围内损伤所需能量密度近似而非
严格地与脉宽的平方根成正比。

信号分析表明硅光电二极管的损伤主要由热效应造成,而60fs激光辐照下的
损伤阈值为0.1J/cm2,明显偏离普通温度分布预言的趋势。

关键词:　飞秒激光;　硅光电二极管;　损伤阈值;　脉宽效应
中图分类号:TN249 文献标识码:A
光环境特别是激光给光电器件的应用带来了极其严重的影响,因此受到人们的高度重视。

硅PIN光电二极管因其响应时间快,工艺成熟,是可见光近红外区域的首选探测器。

Lars Sjoqvist对探测器的激光损伤问题进行了较为全面的探讨[1]。

早期面临的主要是长脉冲或连续激光,F.Bartoli等人给出了1.064μm激光照射下硅PIN光电二极管的损伤阈值[2],陈德章等研究了60μs钕激光对光电探测器的损伤阈值[3],2000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[4],Steve E.Watkins等对10ns激光辐照下光电探测器的损伤机理进行了较为深入的研究[5]。

啁啾技术的应用使人们可以在压缩脉宽的同时获得很高的能量,现在已可获得脉宽达数fs的高能激光输出。

飞秒激光辐照下,器件材料内部发生各种瞬态非平衡过程,器件的损伤既有可能是晶格被电子加热引起的,也有可能是电子爆轰产生的冲击波造成的,为分析飞秒激光辐照下光电探测器的失效机制,我们对探测器的响应信号进行了监测分析。

1　激光辐照效应实验
飞秒激光辐照下,激光首先将能量传给电子,电子通过与电子碰撞扩散能量,通过与晶格碰撞将能量转移给晶格,可发生元件材料电离形成等离子体,靶内产生冲击应力等效应。

强冲击应力在波阵面上产生微孔洞甚至层裂,热熔化导致掺杂扩散,因而冲击应力损伤与热损伤是两类不同的损伤。

飞秒激光辐照下光生载流子的生灭运动及等离子体可引起器件信号饱和失真,热熔化及应力波损伤可导致元件性能的永久性改变或完全失效。

它们可通过器件的输出电信号而得到反映。

测量飞秒激光辐照下光电元件的响应信号的实验布局如图1所示。

Fig.1　Experimental setup for diode response measurement
图1　飞秒激光辐照光电元件的响应实验布局图
飞秒激光波长为800nm,装置输出激光到达靶面处的激光脉宽为60fs,单脉冲能量40mJ,到达靶面的激光功率密度通过在光路中插入衰减片调节。

激光输出为10Hz的重复频率激光,通过在光路中插入快门控制使单脉冲激光辐照到样品上。

光斑半径通过长焦距透镜聚焦到靶面上,用面阵CCD相机对靶面处的光斑形状及过中心剖面光强分布进行测量,调整位置使光斑半径为1mm。

用一稳定的参考光照射到样品上,调节样品上的光照度使光电器件工作于线性段,测试期间参考光一直加在样品上。

用示波器记录探测器的光响应信号。

Ξ收稿日期:2003209228;　修订日期:2004201204
基金项目:国家863计划项目资助课题
作者简介:罗　福(1965—),男,博士,副研,从事激光束效应研究工作;绵阳9192113信箱。

所用样品为Si 2PIN ,有GT106和GT101两种型号:GT106光敏元<0.1mm ,响应时间0.1ns ,工作电压15V ;
GT101光敏元<2mm ,响应时间1ns ,工作电压15V 。

2　实验结果及分析
2.1　损伤阈值
光电器件在强激光辐照下发生响应信号饱和,饱和时无法探测到对象信号的变化,故饱和时间对某些应用而言也是一个重要参量。

光电器件一旦发生损伤,对信号光的响应会在很长时间内不能恢复,故可用激光辐照前后光电器件对信号光的响应幅度变化来判断是否发生损伤。

探测器如果彻底失效,输出信号将变为零。

改变入射到靶面上的飞秒激光能量,得到光电器件饱和时间与飞秒激光能量的关系。

实验结果如表1所示,表中t s 为饱和区宽度,t d 为激光脉冲后信号从饱和恢复到对参考光稳定响应的过渡时间,V 1,V 2分别为脉冲前、后的响应幅值。

测得的典型信号如图2所示。

GT101在177mJ ・cm -2激光辐照时探测器外层已可见轻度损伤,1.18J /cm 2激光单脉冲辐照下探测器外层已发生明显损伤,但仍能正常响应。

用10Hz 重复频率激光辐照时发现第4个脉冲后输出饱和到测试结束(18s )。

GT106和GT101的饱和时间与激光辐照能量的关系如图3所示。

U oe 为光电器件所测信号。

表1　光电器件损伤阈值实验结果
T able 1　Experimental results of diodes d am age
samples E /mJ
Ψ/(mJ ・cm -2)
I /(TW ・cm -2)t s /μs V 1/V V 2/V t d /μs
GT101
0.125 3.980.066292 2.20 2.2441.260.33310.60.177296 2.08 2.0841.942.2270.7 1.18303 2.04 2.0440.885.55177 2.94259 1.92 2.0840.6714.84747.91253 1.92 2.1639.2337
118019.6253 1.92 2.0840.00GT106 2.2270.7 1.181180.50.4663.495.55177 2.9476.60.4560.33645.5114.84747.9179.40.4160.5539.6137
1180
19.6
0.4
0.36
0.
33
Fig.2　Typical response of GT106irradiated with different laser fluence
图2　不同能量激光辐照时GT106的典型响应曲线
从图3可见,激光能量密度Ψ>70mJ /cm 2后随Ψ的增加,饱和时间减小,表明pn 结有损伤。

在Ψ低于
70mJ /cm 2时饱和时间随激光能量的增加而增大。

饱和时间最长的点在ψ=1170mJ /cm 2之间,最大值仅约300
μs 。

GT101的饱和时间比GT106的长,主要是因为GT106的光敏面积比GT101的小。

关于探测器响应的饱和现象陆启生[6]、江厚满等[7]人曾提出过强光响应模型,但该模型没有计及瞬态效应。

响应信号下降沿的拉长可从Dember 电动势对内建电场的抵消作用而得到定性理解,对停止激光辐照后还存在数百μs 的饱和时间这一现象现有的解析模型尚不能进行解释。

2.2　损伤区内光电信号特征
激光能量密度Ψ>70mJ /cm 2后开始出现损伤,对GT106,能量密度为71,177,474,1180mJ /cm 2的相邻4次单脉冲激光辐照时探测器的响应如图2、图4所示。

未受损伤时,探测器的响应为0.5V ,经4次辐照后,响应幅值分别降为0.456,0.416,0.36,0V 。

不可逆的响应降低表明探测器发生了不可逆的结构改变。

686强激光与粒子束 第16卷
Fig.3　Saturation time vs irradiated fluence for two
kinds of Si PIN diodes
图3　探测器饱和时间与辐照激光能量的关系
激光结束后输出信号回复到稳定值的时间常数拉长到约40
μs ,但对下一次脉冲响应的上升沿响应时间在示波器的分辨率内并未变化,在分辨率为0.5ns 条件下用177mJ /cm 2激光对GT106的局部响应进行采样,表明其上升沿仍未变缓。

如果探测器内部受到冲击波损伤,则在所用的大光斑照射条件下损伤应大体平行于入射表面,探测器的响应时间将拉长,输出信号的上升沿和下降沿都将变缓。

表明冲击应力不是造成探测器永久损伤的主要因素,下降沿的拉长并不表征损伤,仅仅是载流子复合速度降低所致。

2.3　损伤阈值与激光脉宽的关系 不同脉宽辐照下,硅光电二极管的损伤阈值如图5所示
,
Fig.4　Response of GT106diode irradiated with different laser fluence
图4　不同能量激光辐照时GT106的响应曲线
脉宽大于9ns 的数据取自文献[15,8]。

图中“о”为完全失效点。

Fig.5　Damage threshold vs laser pulse duration
图5　损伤阈值与辐照激光脉宽的关系
硅对800nm 光的吸收深度为9.1μm ,硅的平均热扩散系数0.24cm 2/s ,热扩散深度与吸收深度相等对应的脉宽
为3.45
μs 。

按传统的热传导模型,远低于微秒量级的辐照时间内热扩散的影响可以忽略,损伤阈值由吸收深度控制。

故由温度控制的损伤阈值随激光脉宽τ变化的趋势应该
是:随着脉宽减小,损伤阈值按τ1/2
降低,当τ小于1μs 时,因温度由吸收深度控制,损伤阈值应与脉宽无关而趋于某
一常数。

但实验结果仅在脉宽大于1
μs 的范围内与此趋势相符,在脉宽小于1
μs 时,损伤阈值并没有趋于常数,而是近似以τ0.29
降低,直到60fs 仍是继续降低。

可见,平衡态
温度模型不能解释1
μs 以下短脉冲激光对光电二极管的损伤阈值特性,需建立新的模型。

对单晶硅样品的试验表明,在137mJ /cm 2激光辐照时样品发生轻度损伤,对其进行光学显微观察发现主要是由表面缺陷所致。

对0.2μm 铝、银膜的辐照试验表明,辐照能量达348mJ /cm 2时铝膜已局部烧穿。

它们都接近于探测器的损伤阈值,因此,探测器损伤可能是温升造成的结构损伤。

3　结　论
试验得到硅PIN 光电二极管在60fs 激光辐照下的损伤和失效阈值分别为70mJ /cm 2和1.2J /cm 2。

随着
激光脉宽的缩短,损伤阈值并未象普通温度模型预言的那样趋于常数,而是以τ0.29继续降低。

对损伤时探测
器的响应时间的分析表明,控制损伤阈值的仍然是温度效应而非力学效应。

探测器引线及器件结构对其失效均有贡献,其损伤应是温度控制的结构损伤。

对飞秒激光辐照后还有数百μs 的“饱和”时间这一特殊现象,现有的解析模型无法解释,需要建立新的模型。

致　谢　感谢杜祥琬院士对本工作的关心与支持,感谢中科院物理所强光物理实验室对实验的大力支持。

7
86第6期 罗　福等:硅光电二极管激光损伤阈值随激光脉宽的变化
886强激光与粒子束 第16卷
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V ariation in damage thresholds of Si photodiodes
with laser pulse duration
LUO Fu,　J IAN G Ji2jun,　SUN Cheng2wei
(Institute of Fluid Physics,CA EP,P.O.Box9192113,Mianyang621900,China)
Abstract:　The damage thresholds of Si PIN photodiodes irradiated by800nm fs laser with pulse duration of60fs have been mea2 sured.The damage thresholds of Si photodiodes irradiated by laser pulse of different duration from1s to60fs are present and discussed. Experimental data indicates that damage fluence increases approximately but not strictly with square root of pulse duration for pulses longer than10ns.The output signal analysis shows the damage was caused mainly by thermal effect.However the damage threshold to 60fs laser is0.1J/cm2,which deviates apparently from what general temperature distribution model predicted.
K ey w ords:　Femtosecond laser;　Si photodiode;　Damage threshold;　Duration effect。