多晶硅的高重频皮秒脉冲激光损伤研究

李星辰+++吴强+++孙鹏飞+++蔡鹏程+++辛敏思

摘 要：文章进行了高重频皮秒激光辐照多晶硅的损伤实验研究，分析了多晶硅材料激光辐照区域的损伤形貌，探究了多晶硅的多脉冲损伤损伤机制。实验结果表明：多晶硅的损伤形貌主要分为热熔区、热影响区及激光无作用区三个区域。多晶硅的多脉冲损伤机制主要是热积累和微缺陷积累。

关键词：多晶硅；高重频脉冲；激光损伤；损伤机理

1 概述

多晶硅作为光电探测器的主要材料，也是当今硅太阳能电池的重要组成部分。采用激光技术来制备太阳能电池，有提高效率、降低成本和减少电池生产中的污染等优点，是目前太阳能电池研究和开发的热点[1]。随着大功率激光器的发展，在强激光作用下太阳能电池损伤效应成为研究的热点问题[2]。激光具有单色性好、方向性好、亮度高、相干性好等优点，自从上世纪六十年代第一台激光器研制成功，激光以其优异的特性被广泛应用到工业、生物医疗、军事对抗等众多领域，且激光的应用都涉及到激光与物质相互作用问题。所以，研究高重复频率脉冲激光辐照多晶硅材料的损伤机理，对于探寻激光与物质的相互作用机理和优化多晶硅元件的抗激光损伤特性都具有重要的理论和实际意义[3]。多脉冲激光辐照材料时，材料的低烧蚀阈值可能在低脉冲能量高重频激光加工中应用，以提高加工效率。

2 半导体材料的单脉冲激光损伤机理分析

国内外关于半导体材料的单脉冲激光损伤机理进行大量的研究。1986年El-Adawi M K等研究了激光辐照半导体材料的加热机理[4]。1997年倪晓武等进行了强激光对半导体材料的破坏研究[5]。1999年，沈中华等对皮秒和纳秒脉冲激光作用于半导体材料的加热机理进行了研究[6]。他们在2001年还对半导体材料硅的单脉冲和多脉冲激光损伤现象进行分析研究[7]。半导体材料对于激光有效的吸收机制主要有：本征吸收、激子吸收、自由载流子吸收和杂质吸收等。本征吸收是半导体材料的主要吸收机制，即价带电子吸收光子能量跃迁到导带，从而产生空穴-电子对。激子能级位于接近导带底的禁带中，它的电离能很小，在常温下激子的吸收是很弱的，所以不考虑。激光可以激发产生大量的过剩载流子，因此自由载流子吸收也是半导体材料在与激光相互作用时主要的吸收机制。杂质吸收吸收与电离的杂质数目成正比，只有在重掺杂的情况下，才考虑杂志吸收。半导体材料在被单脉冲激光辐照时，其主要的损伤机制有热熔破坏、热致应力损伤、雪崩电离击穿破坏、多光子吸收电离破坏和自聚焦破坏等。

3 实验

3.1 实验装置

实验装置如图1所示。型号为BR-PLM-1000的重频可调的皮秒脉冲经过衰减片组合后，被分光镜分为两束。85%的激光经过聚焦透镜后垂直作用到多晶硅表面。2%的激光经分光镜反射后被激光功率计探头实时收集，从而可以对辐照过程中的激光功率进行实时监测。

实验中所用的多晶硅片尺寸为：20mm×20mm×0.20mm，实验前将多晶硅片在丙酮和乙醇中清洗。实验过程中通过调整衰减倍率和改变激光电流来控制激光功率值，多晶硅表面损伤形貌由电子扫描显微镜观测得到。

3.2 实验结果

图2为激光重频为1kHz，激光辐照时间为10s，激光峰值功率密度为2.74*1010W/cm2时，多晶硅表面的损伤形貌。（a），（b）分别为显微倍率为200x，2000x时，多晶硅被激光辐照区域SEM图。

从图2（a）可以看到，多晶硅表面激光辐照区域可以分为三个区域。激光光束中心辐照区域颜色较深，该区域称为热熔区。从（b）可以看到该区域形成一个完全将多晶硅击穿的损伤坑，这是由于高斯光束光斑中心超高能量使材料发生了严重程度融化，还可以看到损伤坑边缘发黑，这是由于激光的热作用使材料发生了氧化反应。热熔区外围白色区域即为热影响区。热影响区域的形成可以解释为激光中心吸收激光能量导致其表面温度迅速升高，材料内部晶格的热传递使该区域发生了轻微氧化反应。热影响区的外围是激光无影响区，该区域内存在一些沉积物，这是激光与多晶硅作用过程中光束中心辐照部分融化物质向外喷溅造成的。

3.3 损伤机理分析

高重频皮秒脉冲激光损伤实际上是一个多脉冲损伤过程。虽然单脉冲能量较低，甚至远低于材料的蒸发阈值，但由于激光辐照过程中的脉冲积累使材料发生了损伤。多脉冲的主要的损伤机制有热积累和脉冲积累。当脉冲重复频率不变时，热积累是较低损伤阈值的原因被广泛接受。高重频激光具有较短的脉冲间隔，第一个脉冲作用材料后，材料吸收激光能量使其表面温度升高，源源不断的后续激光脉冲辐照多晶硅后，使多晶硅表面温度逐渐升高，最后使材料发生熔融烧蚀。微缺陷积累是另一种主要的损伤机制。多晶硅材料在制备与加工的过程中，存在大量的微观缺陷，这些缺陷具有比多晶硅本征吸收大的多的吸收率。因此对于高重频激光损伤而言，虽然单个脉冲的激光能量较小，不能使材料发生宏观损伤，但可能引起材料内微观缺陷的爆炸和发展，每次微观缺陷的爆炸和发展，将增加材料对后续激光能量的吸收，最终微缺陷的积累导致材料发生宏观损伤。

4 结束语

文章对高重频皮秒脉冲辐照多晶硅的损伤进行了实验研究。高重频辐照多晶硅材料时，材料表面损伤形貌主要分为热熔区、热影响区和无激光作用区三个区域。多晶硅的多脉冲损伤机制主要有热积累和微缺陷积累。

参考文献

[1]张陆成，王学孟，沈辉.激光热效应在高效太阳电池工艺中的应用[J].激光与光电子学进展，2009，46（5）：41-46.

[2]田秀芹.飞秒激光照射下硅/砷化镓太阳能电池的光电特性研究[D].中南大学，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]倪晓武，沈中华，陆建.强激光对光电器件及半导体材料的破坏研究[J].光电子·激光，1997（6）：487-490.

[6]沈中华，陆建，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[J].中国激光，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.

*通讯作者：辛敏思