毫秒脉冲激光辐照硅基四象限探测器单一象限输出电流研究

李晨昂，王頔，魏智，金光勇

（长春理工大学 物理学院，长春 130022）

硅基QPD光电探测器在激光光学系统中被广泛应用［1］，但人们对其机理的研究非常有限。长春理工大学周鸣岐［2］进行毫秒激光辐照硅光电探测器损伤研究，付耀龙［3］对长脉冲激光辐照硅材料的损伤进行研究，对温度场、热应力场进行分析和数值模拟。在此基础上，彭博［4］对毫秒长脉冲激光辐照探测器的损伤机理进行研究。陈酒等人［5］对长脉冲激光辐照在线硅基APD的温度进行了研究。邵俊峰［6］对100 fs、800 nm短脉冲激光对硅及硅基光电器件的损伤效应与机理进行研究。张辉等人［7］及程韦［8］团队分别根据误差理论推导出光斑模型下位置检测精度与光斑半径的数学模型，通过数值仿真得出光斑大小和光斑强度与测量精度的关系。牛燕雄等人［9］及梁巍巍等人［10］均就激光破坏四象限器件进行研究，前者通过实验获得激光辐照四象限硅光电池中一个或几个象限，可造成硅光电池对光斑质心测量产生误差的结论；后者建立四象限探测器模型，分析了四象限探测器不同损伤距离下激光制导武器的脱靶量。Mannino G等人［11］研究了毫秒脉冲激光作用晶体硅使硼激活的现象。Barbarić Ž P 等人［12］利用四象限探测器对光斑位置进行误差估计。利用QPD对光斑偏差位置进行实验，在偏差趋于测量范围限制时，QPD能够实现快速错误点位置的测量。同时得出电子噪声是引起测量误差的重要原因，并对象限探测器的定位装置的灵敏度进行分析。Castello M等人［13］利用象限探测器进行图像扫描，大幅度提高图像质量和分辨率。Vera-Marquina A［14］利用高灵敏度象限探测器实现低成本、低消耗、低功率的集成CMOS电路的设计。Jo S等人［15］利用象限探测器提高激光雷达系统测量范围和测量精度。截至目前，国内外关于四象限光电探测器输出电流的研究鲜有报道。本文通过建立毫秒脉冲激光辐照硅基QPD光电探测器的电学模型，开展激光辐照象限输出电流测量实验，给出了毫秒脉冲激光辐照QPD光电探测器激光辐照象限输出电流的变化规律。

1 激光辐照硅基QPD探测器物理模型

本文研究所用硅基P-I-N型四象限探测器（即QPD探测器）为多层结构，其剖面结构图如图1所示，其中光敏区P区是高掺杂的P型半导体，分为结构样式完全相同的四部分，即四个象限；I区是接近本征的N型半导体；N区是高掺杂的N型半导体，四象限共I、N区。各层结构基本参数及掺杂浓度表如表1所示。

图1 硅基P-I-N型QPD光电探测器剖面结构图

表1 硅基QPD探测器各层结构及掺杂浓度表

毫秒脉冲激光与施加反向偏压的硅基QPD探测器相互作用过程中，硅基QPD探测器产生光的吸收，使其内部形成电子-空穴对，即光生载流子。这些非平衡载流子将在温度梯度、外加电场、浓度梯度的影响下产生不同的运动。

通过分析得探测器施加较高反向偏压时的电场分布如下：

式中，ND(x,y,z,t)和WLN(T,t)分别是N区施主能级分布和N区耗尽层长度，NA(x,y,z,t)和WLP(T,t)分别为P区受主能级分布和P区耗尽层长度。

当用适当波长的光辐照硅基QPD探测器时，硅基QPD探测器内部载流子浓度分布发生变化，从而引起载流子的扩散运动：

式中，(Jn)扩(T,z,t)和Dn(T)分别为电子扩散电流密度和电子扩散系数，(Jp)扩(T,z,t)和Dp(T)分别为空穴扩散电流密度和空穴扩散系数。

硅基QPD探测器非平衡载流子浓度不均匀时，同时硅基QPD探测器存施加反向偏压，那么载流子存在漂移运动：

式中，(Jn)漂(T,x,y,z,t)和μn(T)是电子漂移电流密度和电子迁移率；(Jp)漂(T,x,y,z,t)和μp(T)分别为空穴漂移电流密度和空穴迁移率。

在激光辐照过程中，硅基QPD探测器内部存在温度梯度，载流子将由于温度梯度形成从高温到低温的热扩散运动：

式中，E(T,x,y,z,t)为t时刻、温度为T时刻下，x,y,z处的电场强度；ξn为 N 型一侧的EF-EC；ξp为 P型一侧的EV-EF；εn为电子的动能；εp为空穴的动能。

2 激光辐照硅基QPD探测器结果与分析

2.1 仿真结果

图2为激光脉冲宽度为1.0 ms时硅基QPD探测器第二象限输出电流随时间变化关系。当激光能量密度为21.36 J/cm2时，毫秒脉冲激光作用的硅基QPD探测器第二象限的输出电流第二峰值为20.89 μA，恢复时间为0.84 ms，当激光能量密度为38.30 J/cm2时，毫秒脉冲激光作用的硅基QPD探测器第二象限的输出电流第二峰值为24.60 μA，恢复时间为1.13 ms，当激光能量密度为54.78 J/cm2时，毫秒脉冲激光作用的硅基QPD探测器第二象限的输出电流第二峰值为37.78 μA，恢复时间为1.83 ms，当激光能量密度为67.22 J/cm2时，毫秒脉冲激光作用的硅基QPD探测器第二象限的输出电流第二峰值为39.23 μA，恢复时间为2.72 ms。

图2 脉冲宽度1.0 ms，不同激光能量密度下硅基QPD探测输出电流随时间变化关系

图3为激光脉冲宽度为1.5 ms时，硅基QPD探测器第二象限输出电流随时间变化关系。当激光能量密度为21.03 J/cm2时，毫秒脉冲激光作用的硅基QPD探测器第二象限的输出电流第二峰值为31.89 μA，恢复时间为0.77 ms，当激光能量密度为32.47 J/cm2时，毫秒脉冲激光作用的硅基QPD探测器第二象限的输出电流第二峰值为24.79 μA，恢复时间为0.93 ms，当激光能量密度为49.05 J/cm2时，毫秒脉冲激光作用的硅基QPD探测器第二象限的输出电流第二峰值为35.40 μA，恢复时间为2.09 ms，当激光能量密度为67.22 J/cm2时，毫秒脉冲激光作用的硅基QPD探测器第二象限的输出电流第二峰值为36.99 μA，恢复时间为2.98 ms。

图3 脉冲宽度1.5 ms，不同激光能量密度下硅基QPD探测输出电流随时间变化关系

图4为激光脉冲宽度为2.0 ms时，硅基QPD探测器第二象限输出电流随时间变化关系。当激光能量密度为28.53 J/cm2时，毫秒脉冲激光作用的硅基QPD探测器第二象限的输出电流第二峰值为30.64 μA，恢复时间为0.63 ms，当激光能量密度为37.25 J/cm2时，毫秒脉冲激光作用的硅基QPD探测器第二象限的输出电流第二峰值为33.31 μA，恢复时间为0.88 ms，当激光能量密度为56.90 J/cm2时，毫秒脉冲激光作用的硅基QPD探测器第二象限的输出电流第二峰值为37.31 μA，恢复时间为2.16 ms，当激光能量密度为74.51 J/cm2时，毫秒脉冲激光作用的硅基QPD探测器第二象限的输出电流第二峰值为39.35 μA，恢复时间大于3 ms。

图4 脉冲宽度2.0 ms，不同激光能量密度下硅基QPD探测器的输出电流随时间的变化关系

2.2 实验装置及结果

毫秒脉冲激光辐照硅基QPD探测器的输出电流测量实验装置如图5所示。实验中使用了Melar-10激光器，设置其激光脉宽为1.5 ms，激光空间分布为高斯分布。实验所用QPD样品为GT111型硅基P-I-N型QPD光电探测器，光敏面为φ4 mm，响应波长范围为400～1 100 nm。本实验采用的激光波长为1 064 nm，属于波段内激光作用，所以探测器在激光作用过程中会产生光电效应。将探测器加载到固定偏压（40 V）下，通过测量其输出电流，可以得到1 064 nm毫秒脉冲激光辐照硅基QPD探测器过程中输出电流的变化。激光辐照只针对于第二象限，从而定量分析1 064 nm脉冲激光辐照硅基QPD探测器过程中硅基QPD探测器激光辐照象限输出电流的变化。

图5 1 064 nm毫秒脉冲激光辐照硅基QPD探测器的输出电流测量装置

图6为激光脉冲宽度为1.0 ms时，硅基QPD探测器第二象限输出电流随时间变化关系。当激光能量密度为21.36 J/cm2时，毫秒脉冲激光作用的硅基QPD探测器第二象限输出电流第二峰值为25.80 μA，恢复时间为0.74 ms；当激光能量密度为38.30 J/cm2时，毫秒脉冲激光作用的硅基QPD探测器第二象限输出电流第二峰值为30.00 μA，恢复时间为0.93 ms；当激光能量密度为54.78 J/cm2时，毫秒脉冲激光作用的硅基QPD探测器第二象限输出电流第二峰值为37.60 μA，恢复时间为1.73 ms；当激光能量密度为67.22 J/cm2时，毫秒脉冲激光作用的硅基QPD探测器第二象限输出电流第二峰值为40.40 μA，恢复时间为2.15 ms。

图6 脉冲宽度为1.0 ms，不同激光能量密度下硅基QPD探测输出电流随时间变化关系

图7为激光脉冲宽度为1.5 ms时，硅基QPD探测器第二象限输出电流随时间变化关系。当激光能量密度为27.03 J/cm2时毫秒脉冲激光作用的硅基QPD探测器第二象限的输出电流第二峰值为36.80 μA，恢复时间为0.98 ms；当激光能量密度为32.47 J/cm2时，毫秒脉冲激光作用的硅基QPD探测器第二象限的输出电流第二峰值为37.61 μA，恢复时间为1.05 ms；当激光能量密度为49.05 J/cm2时，毫秒脉冲激光作用的硅基QPD探测器第二象限的输出电流第二峰值为38.40 μA，恢复时间为1.93 ms；当激光能量密度为65.81 J/cm2时，毫秒脉冲激光作用的硅基QPD探测器第二象限的输出电流第二峰值为39.60 μA，恢复时间为 2.69 ms。

图7 脉冲宽度为1.5 ms，不同激光能量密度下硅基QPD探测输出电流随时间变化关系

图8为激光脉冲宽度为2.0 ms时，硅基QPD探测器第二象限输出电流随时间变化关系。当激光能量密度为28.53 J/cm2时，毫秒脉冲激光作用的硅基QPD探测器第二象限的输出电流第二峰值为36.00 μA，恢复时间为1.14 ms；当激光能量密度为37.25 J/cm2时，毫秒脉冲激光作用的硅基QPD探测器第二象限的输出电流第二峰值为37.60 μA，恢复时间为0.92 ms；当激光能量密度为56.90 J/cm2时，毫秒脉冲激光作用的硅基QPD探测器第二象限的输出电流第二峰值为39.21 μA，恢复时间为2.17 ms；当激光能量密度为74.51 J/cm2时，毫秒脉冲激光作用的硅基QPD探测器第二象限的输出电流第二峰值为39.63 μA，恢复时间大于3 ms。

图8 脉冲宽度为2.0 ms，不同激光能量密度下硅基QPD探测输出电流随时间变化关系

图 9（a）、图 9（b）、图 9（c）分别为激光脉冲宽度为 1.0 ms、1.5 ms、2.0 ms的毫秒脉冲激光与外置偏压40 V下的硅基QPD探测器单一象限作用时输出电流随时间演化的实验数据和仿真数据的对比图。从图中可以看出，实验测量的输出电流和数值仿真的输出电流的演化规律以及趋势基本吻合。并能够从图中可以看到，实验与仿真吻合度较好。

图9 不同脉冲宽度毫秒脉冲激光辐照硅基QPD探测器输出电流随时间演化的实验仿真数据对比

图 10（a）、图 10（b）、图 10（c）分别为激光脉冲宽度为1.0 ms、1.5 ms、2.0 ms的毫秒脉冲激光与外置偏压40 V下的硅基QPD探测器单一象限作用时激光辐照象限输出电流第二峰值随能量密度的变化关系图。从图中可以看出，辐照象限产生的第二峰值随着激光能量密度的增大而增大。

图10 不同脉冲宽度毫秒脉冲激光辐照硅基QPD探测器辐照象限输出电流第二峰值随能量密度的变化关系

图 11（a）、图 11（b）、图 11（c）分别为激光脉冲宽度为 1.0 ms、1.5 ms、2.0 ms的毫秒脉冲激光与外置偏压40 V下的硅基QPD探测器单一象限作用时激光辐照象限电流恢复时间（激光作用结束时间到电流恢复至激光作用前的时间）随能量密度的变化关系图。从图中可以看出，激光辐照结束后的电流恢复时间随着激光能量密度的增大而增大。

图11 不同脉冲宽度毫秒脉冲激光辐照硅基QPD探测器辐照象限电流恢复时间随能量密度的变化关系

3 结论

本文开展了毫秒脉冲激光辐照硅基QPD探测器单一象限时，激光辐照象限输出电流变化的规律和特点的实验研究。得到以下结论：激光辐照硅QPD探测器单一象限时，该象限存在输出电流，输出电流主要分为三个阶段：（1）激增阶段：在激光辐照硅基QPD探测器单一象限时，辐照象限输出电流先迅速升高到一峰值；（2）平缓阶段：输出电流从峰值迅速下降到一定值后缓慢下降；（3）恢复阶段：激光作用结束后，输出电流出现电流弛豫震荡现象，后恢复至原值。在激光辐照结束后，输出电流出现震荡现象，形成第二峰值，且第二峰值、电流恢复时间随着激光能量的增大而增大。其研究结果为激光辐照硅基QPD探测器的输出电流的机理奠定基础。