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 物理學院，長春 130022）

硅基QPD光電探測器在激光光學系統中被廣泛應用［1］，但人們對其機理的研究非常有限。長春理工大學周鳴岐［2］進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行研究，對溫度場、熱應力場進行分析和數值模擬。在此基礎上，彭博［4］對毫秒長脈沖激光輻照探測器的損傷機理進行研究。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與機理進行研究。張輝等人［7］及程韋［8］團隊分別根據誤差理論推導出光斑模型下位置檢測精度與光斑半徑的數學模型，通過數值仿真得出光斑大小和光斑強度與測量精度的關系。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行研究，前者通過實驗獲得激光輻照四象限硅光電池中一個或幾個象限，可造成硅光電池對光斑質心測量產生誤差的結論；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象。Barbari? ? P 等人［12］利用四象限探測器對光斑位置進行誤差估計。利用QPD對光斑偏差位置進行實驗，在偏差趨于測量范圍限制時，QPD能夠實現快速錯誤點位置的測量。同時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行分析。Castello M等人［13］利用象限探測器進行圖像掃描，大幅度提高圖像質量和分辨率。Vera-Marquina A［14］利用高靈敏度象限探測器實現低成本、低消耗、低功率的集成CMOS電路的設計。Jo S等人［15］利用象限探測器提高激光雷達系統測量范圍和測量精度。截至目前，國內外關于四象限光電探測器輸出電流的研究鮮有報道。本文通過建立毫秒脈沖激光輻照硅基QPD光電探測器的電學模型，開展激光輻照象限輸出電流測量實驗，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）為多層結構，其剖面結構圖如圖1所示，其中光敏區P區是高摻雜的P型半導體，分為結構樣式完全相同的四部分，即四個象限；I區是接近本征的N型半導體；N區是高摻雜的N型半導體，四象限共I、N區。各層結構基本參數及摻雜濃度表如表1所示。

圖1 硅基P-I-N型QPD光電探測器剖面結構圖

表1 硅基QPD探測器各層結構及摻雜濃度表

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探測器產生光的吸收，使其內部形成電子-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生不同的運動。

通過分析得探測器施加較高反向偏壓時的電場分布如下：

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

當用適當波長的光輻照硅基QPD探測器時，硅基QPD探測器內部載流子濃度分布發生變化，從而引起載流子的擴散運動：

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

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

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散運動：

式中，E(T,x,y,z,t)為t時刻、溫度為T時刻下，x,y,z處的電場強度；ξn為 N 型一側的EF-EC；ξp為 P型一側的EV-EF；εn為電子的動能；εp為空穴的動能。

2 激光輻照硅基QPD探測器結果與分析

2.1 仿真結果

圖2為激光脈沖寬度為1.0 ms時硅基QPD探測器第二象限輸出電流隨時間變化關系。當激光能量密度為21.36 J/cm2時，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，恢復時間為0.84 ms，當激光能量密度為38.30 J/cm2時，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，恢復時間為1.13 ms，當激光能量密度為54.78 J/cm2時，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，恢復時間為1.83 ms，當激光能量密度為67.22 J/cm2時，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，恢復時間為2.72 ms。

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

圖3為激光脈沖寬度為1.5 ms時，硅基QPD探測器第二象限輸出電流隨時間變化關系。當激光能量密度為21.03 J/cm2時，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，恢復時間為0.77 ms，當激光能量密度為32.47 J/cm2時，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，恢復時間為0.93 ms，當激光能量密度為49.05 J/cm2時，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，恢復時間為2.09 ms，當激光能量密度為67.22 J/cm2時，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，恢復時間為2.98 ms。

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

圖4為激光脈沖寬度為2.0 ms時，硅基QPD探測器第二象限輸出電流隨時間變化關系。當激光能量密度為28.53 J/cm2時，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，恢復時間為0.63 ms，當激光能量密度為37.25 J/cm2時，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，恢復時間為0.88 ms，當激光能量密度為56.90 J/cm2時，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，恢復時間為2.16 ms，當激光能量密度為74.51 J/cm2時，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，恢復時間大于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間的變化關系

2.2 實驗裝置及結果

毫秒脈沖激光輻照硅基QPD探測器的輸出電流測量實驗裝置如圖5所示。實驗中使用了Melar-10激光器，設置其激光脈寬為1.5 ms，激光空間分布為高斯分布。實驗所用QPD樣品為GT111型硅基P-I-N型QPD光電探測器，光敏面為φ4 mm，響應波長范圍為400～1 100 nm。本實驗采用的激光波長為1 064 nm，屬于波段內激光作用，所以探測器在激光作用過程中會產生光電效應。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，硅基QPD探測器第二象限輸出電流隨時間變化關系。當激光能量密度為21.36 J/cm2時，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，恢復時間為0.74 ms；當激光能量密度為38.30 J/cm2時，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，恢復時間為0.93 ms；當激光能量密度為54.78 J/cm2時，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，恢復時間為1.73 ms；當激光能量密度為67.22 J/cm2時，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，恢復時間為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探測輸出電流隨時間變化關系

圖7為激光脈沖寬度為1.5 ms時，硅基QPD探測器第二象限輸出電流隨時間變化關系。當激光能量密度為27.03 J/cm2時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，恢復時間為0.98 ms；當激光能量密度為32.47 J/cm2時，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，恢復時間為1.05 ms；當激光能量密度為49.05 J/cm2時，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，恢復時間為1.93 ms；當激光能量密度為65.81 J/cm2時，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，恢復時間為 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探測輸出電流隨時間變化關系

圖8為激光脈沖寬度為2.0 ms時，硅基QPD探測器第二象限輸出電流隨時間變化關系。當激光能量密度為28.53 J/cm2時，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，恢復時間為1.14 ms；當激光能量密度為37.25 J/cm2時，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，恢復時間為0.92 ms；當激光能量密度為56.90 J/cm2時，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，恢復時間為2.17 ms；當激光能量密度為74.51 J/cm2時，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，恢復時間大于3 ms。

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

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輸出電流隨時間演化的實驗數據和仿真數據的對比圖。從圖中可以看出，實驗測量的輸出電流和數值仿真的輸出電流的演化規律以及趨勢基本吻合。并能夠從圖中可以看到，實驗與仿真吻合度較好。

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間演化的實驗仿真數據對比

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激光輻照象限輸出電流第二峰值隨能量密度的變化關系圖。從圖中可以看出，輻照象限產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激光輻照象限電流恢復時間（激光作用結束時間到電流恢復至激光作用前的時間）隨能量密度的變化關系圖。從圖中可以看出，激光輻照結束后的電流恢復時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時間隨能量密度的變化關系

3 結論

本文開展了毫秒脈沖激光輻照硅基QPD探測器單一象限時，激光輻照象限輸出電流變化的規律和特點的實驗研究。得到以下結論：激光輻照硅QPD探測器單一象限時，該象限存在輸出電流，輸出電流主要分為三個階段：（1）激增階段：在激光輻照硅基QPD探測器單一象限時，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）恢復階段：激光作用結束后，輸出電流出現電流弛豫震蕩現象，后恢復至原值。在激光輻照結束后，輸出電流出現震蕩現象，形成第二峰值，且第二峰值、電流恢復時間隨著激光能量的增大而增大。其研究結果為激光輻照硅基QPD探測器的輸出電流的機理奠定基礎。