連續(xù)及納秒激光對(duì)砷化鎵材料的損傷研究.pdf

1、激光與物質(zhì)相互作用自從二十世紀(jì)六十年代激光問世以來就是被人關(guān)注的研究領(lǐng)域，對(duì)激光應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域如：激光加工、激光武器、激光核聚變、激光退火、激光沉積薄膜、光學(xué)元件的損傷、探測器的損傷等都存在重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。其中強(qiáng)激光與半導(dǎo)體材料的相互作用及其損傷研究是激光與物質(zhì)相互作用很重要的一個(gè)方向，半導(dǎo)體材料及器件在強(qiáng)激光的環(huán)境下工作常常面I臨性能下降、失效甚至被破壞產(chǎn)生致命損傷的危險(xiǎn)，例如：在戰(zhàn)場上，雷達(dá)、光電探測器等是激光武器主要的打

2、擊對(duì)象；太陽能電池廣泛應(yīng)用于宇航外太空，容易遭受各種射線輻射的照射；半導(dǎo)體材料在離子注入退火時(shí)常產(chǎn)生損傷等等，因此研究半導(dǎo)體材料的激光損傷就十分必要。砷化鎵(GaAs)是繼硅(Si)之后的第二代重要的半導(dǎo)體材料，在微電子領(lǐng)域、發(fā)光器件、光電器件領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，是目前制作發(fā)光二級(jí)管(LED)、激光二極管(LD)、太陽能電池(SC)、高速集成電路(IC)、高溫下工作的高頻微波器件等的主要原料，而且砷化鎵在光學(xué)和激光領(lǐng)域也有很大應(yīng)用，如：

3、紅外激光輸出耦合鏡、飽和吸收體被動(dòng)調(diào)Q、光頻率轉(zhuǎn)換器件等。研究強(qiáng)激光對(duì)砷化鎵材料的損傷對(duì)砷化鎵光電器件及其它半導(dǎo)體器件的損傷研究和激光損傷防護(hù)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值，從二十世紀(jì)七十年代至今這一課題一直活躍，人們從多種角度利用不同波長不同脈寬的激光對(duì)砷化鎵材料和器件的損傷進(jìn)行過研究，取得了不少有用的結(jié)果。但仍有一些方面的工作沒有開展或有待進(jìn)一步深入，例如：短波長連續(xù)激光對(duì)砷化鎵材料的損傷沒有過報(bào)道；對(duì)于激光損傷造成的組分變化研究很少

4、，損傷機(jī)理尚不完善等等。 本論文的主要工作在于研究砷化鎵半導(dǎo)體材料的表面損傷問題，損傷的定義為材料表面出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性的破壞，關(guān)注其在損傷閾值附近的行為，而非高激光峰值密度下產(chǎn)生高溫等離子體的情況。主要研究了0.53μm和1.06μm兩種波長的連續(xù)及納秒脈沖激光對(duì)砷化鎵(GaAs)單晶材料的損傷，實(shí)驗(yàn)上探測了損傷的發(fā)生過程，分析了其損傷的形式，測量了相應(yīng)的損傷閾值，利用電子微探針、原子力顯微鏡等對(duì)樣品的損傷形貌進(jìn)行了觀察、對(duì)損傷區(qū)域元

5、素組分的變化進(jìn)行了測量，從理論上對(duì)損傷機(jī)制進(jìn)行了分析和解釋。主要研究工作包括： Ⅰ.首次完成了0.53μm連續(xù)激光對(duì)砷化鎵(GaAs)材料的損傷研究實(shí)驗(yàn)，將作用光同時(shí)作為探測光實(shí)時(shí)監(jiān)測并觀察了砷化鎵材料在0.53μm連續(xù)激光輻照下的損傷過程，使用電子微探針分析儀對(duì)材料損傷的形貌進(jìn)行了觀察、對(duì)元素組分進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)最初可以探測到的損傷形式為材料的熱分解，同時(shí)砷元素含量降低，激光繼續(xù)輻照加熱導(dǎo)致熔化、蒸發(fā)并伴隨有強(qiáng)烈氧化現(xiàn)象的發(fā)生

6、；測量了材料在0.53μm連續(xù)激光下的損傷閾值曲線；根據(jù)熱傳導(dǎo)理論采用有限差分法對(duì)這一激光致熱損傷過程進(jìn)行了理論計(jì)算，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，證明0.53μm連續(xù)激光對(duì)砷化鎵的最初損傷為熱致表面分解。 Ⅱ.首次系統(tǒng)研究了1.06μm連續(xù)激光對(duì)砷化鎵(GaAs)材料的損傷，實(shí)驗(yàn)中用一束分立的He-Ne激光作為探測光實(shí)時(shí)監(jiān)測并觀察了砷化鎵材料在1.06μm連續(xù)激光輻照下的損傷過程，最初探測到的損傷形式為砷元素?fù)]發(fā)導(dǎo)致的表面性質(zhì)變化；使用電子

7、微探針分析儀對(duì)材料損傷的形貌、成分進(jìn)行了觀察和分析，各組分元素含量沒有明顯變化，整個(gè)損傷過程沒有明顯的熔化和氧化現(xiàn)象；而且材料在此波長下的損傷閾值與邊界條件有很大關(guān)系；根據(jù)熱損傷機(jī)制，對(duì)這些現(xiàn)象進(jìn)行了細(xì)致的理論分析，表明樣品表面拋光狀況和樣品厚度對(duì)材料的損傷有很大影響。 Ⅲ.首次從實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)合的角度研究了0.53μm納秒脈沖激光對(duì)砷化鎵(GaAs)材料的損傷，進(jìn)行了單脈沖(1-on-1)及多脈沖(s-on-1)的損傷實(shí)驗(yàn)，測量

8、了相應(yīng)的損傷閾值；對(duì)損傷的表面形貌進(jìn)行了觀察，損傷形貌與1.06μm脈沖激光造成的損傷有所不同，在熔融損傷出現(xiàn)之前沒有發(fā)現(xiàn)無規(guī)則的分散的微觀小坑，材料的損傷深度略小于激光穿透深度；對(duì)損傷區(qū)的成分含量進(jìn)行了分析，在閾值附近的脈沖能量輻照下，損傷處的Ga和As元素含量沒有明顯變化(小于1％)，且沒有氧O成分；依據(jù)純熱模型并采用有限差分法進(jìn)行了相應(yīng)的理論分析計(jì)算，得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合的很好，說明熱熔理論是0.53μm納秒脈沖激光對(duì)砷化鎵的損傷

9、的主要機(jī)制。 Ⅳ.研究了1.06μm納秒脈沖激光對(duì)砷化鎵(GaAs)材料樣品的損傷，進(jìn)行了單脈沖(1-on-1)及多脈沖(s-on-1)的損傷實(shí)驗(yàn)，測量了相應(yīng)的損傷閾值； 對(duì)損傷的微觀形貌進(jìn)行了觀察，在明顯的形狀規(guī)則的圓形沖擊凹坑出現(xiàn)之前首先出現(xiàn)無規(guī)則的分散的尺度為幾個(gè)微米的小坑；對(duì)損傷區(qū)的成分含量進(jìn)行了分析，在閾值附近的脈沖能量輻照下，沒有產(chǎn)生明顯的富鎵狀態(tài)：根據(jù)熱模型采用有限差分法進(jìn)行理論分析，計(jì)算所得樣品表面溫度遠(yuǎn)

10、低于材料熔點(diǎn)，說明均勻加熱機(jī)制并不是1.06μm納秒脈沖激光對(duì)砷化鎵的主要損傷機(jī)制；結(jié)合多脈沖的損傷情況，我們提出了微觀缺陷積累損傷理論定性解釋?？傊覀兺瓿闪斯庾幽芰糠謩e高于和低于砷化鎵禁帶寬度的0.53和1.06μm兩種波長的連續(xù)和納秒脈沖激光對(duì)砷化鎵材料的損傷實(shí)驗(yàn)，測量了相應(yīng)的損傷閾值，分析了其損傷過程和形式，進(jìn)行了理論分析和討論，系統(tǒng)歸結(jié)如下： 對(duì)于連續(xù)激光輻照砷化鎵材料的情況，我們首次利用探測光實(shí)時(shí)觀察輻照過程材料表

11、面的反射情況，來判定損傷的出現(xiàn)，并用電子探針對(duì)損傷后的形貌進(jìn)行觀察，表明兩種連續(xù)激光對(duì)砷化鎵材料損傷的最初的形式都為表面分解，其中0.53μm連續(xù)激光輻照砷化鎵產(chǎn)生強(qiáng)烈的熔化現(xiàn)象；使用電子微探針分析儀對(duì)表面損傷區(qū)域的各元素成分的含量進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)只有0.53μm連續(xù)激光輻照引起明顯的組分變化，砷元素大量減少同時(shí)氧元素含量增加，說明損傷過程存在明顯的氧化；而1.06μm連續(xù)激光輻照造成的損傷組分變化不明顯，砷元素含量只有微弱減少。根據(jù)激

12、光加熱的熱傳導(dǎo)理論，用有限差分法計(jì)算了樣品受這兩種波長連續(xù)激光輻照而引起的溫度變化，證實(shí)了砷化鎵材料的表面分解損傷情況，說明熱傳導(dǎo)是決定激光輻照樣品溫度的主要因素。 對(duì)于納秒脈沖激光對(duì)砷化鎵材料的損傷，兩種波長的激光造成的損傷形式有明顯差別，而且都沒有明顯的組分變化。理論計(jì)算表明，0.53μm納秒脈沖輻照引起的損傷符合熱理論模型，而對(duì)于波長1.06μm的納秒脈沖激光來說，純熱理論模型難以解釋所產(chǎn)生的損傷，勢必有其他非熱或增強(qiáng)吸收