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。實驗結果表明：多晶硅的損傷形貌主要分為熱熔區、熱影響區及激光無作用區三個區域。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，也是當今硅太陽能電池的重要組成部分。采用激光技術來制備太陽能電池，有提高效率、降低成本和減少電池生產中的污染等優點，是目前太陽能電池研究和開發的熱點[1]。隨著大功率激光器的發展，在強激光作用下太陽能電池損傷效應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，激光以其優異的特性被廣泛應用到工業、生物醫療、軍事對抗等眾多領域，且激光的應用都涉及到激光與物質相互作用問題。所以，研究高重復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的相互作用機理和優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用，以提高加工效率。

2 半導體材料的單脈沖激光損傷機理分析

國內外關于半導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體材料的加熱機理[4]。1997年倪曉武等進行了強激光對半導體材料的破壞研究[5]。1999年，沈中華等對皮秒和納秒脈沖激光作用于半導體材料的加熱機理進行了研究[6]。他們在2001年還對半導體材料硅的單脈沖和多脈沖激光損傷現象進行分析研究[7]。半導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吸收等。本征吸收是半導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帶，從而產生空穴-電子對。激子能級位于接近導帶底的禁帶中，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。激光可以激發產生大量的過剩載流子，因此自由載流子吸收也是半導體材料在與激光相互作用時主要的吸收機制。雜質吸收吸收與電離的雜質數目成正比，只有在重摻雜的情況下，才考慮雜志吸收。半導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的重頻可調的皮秒脈沖經過衰減片組合后，被分光鏡分為兩束。85%的激光經過聚焦透鏡后垂直作用到多晶硅表面。2%的激光經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域SEM圖。

從圖2（a）可以看到，多晶硅表面激光輻照區域可以分為三個區域。激光光束中心輻照區域顏色較深，該區域稱為熱熔區。從（b）可以看到該區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生了嚴重程度融化，還可以看到損傷坑邊緣發黑，這是由于激光的熱作用使材料發生了氧化反應。熱熔區外圍白色區域即為熱影響區。熱影響區域的形成可以解釋為激光中心吸收激光能量導致其表面溫度迅速升高，材料內部晶格的熱傳遞使該區域發生了輕微氧化反應。熱影響區的外圍是激光無影響區，該區域內存在一些沉積物，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閾值，但由于激光輻照過程中的脈沖積累使材料發生了損傷。多脈沖的主要的損傷機制有熱積累和脈沖積累。當脈沖重復頻率不變時，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，不能使材料發生宏觀損傷，但可能引起材料內微觀缺陷的爆炸和發展，每次微觀缺陷的爆炸和發展，將增加材料對后續激光能量的吸收，最終微缺陷的積累導致材料發生宏觀損傷。

4 結束語

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、熱影響區和無激光作用區三個區域。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，王學孟，沈輝.激光熱效應在高效太陽電池工藝中的應用[J].激光與光電子學進展，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，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