連續(xù)及納秒激光對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六十年代激光問世以來就是被人關注的研究領域，對激光應用的各個領域如：激光加工、激光武器、激光核聚變、激光退火、激光沉積薄膜、光學元件的損傷、探測器的損傷等都存在重要的科學意義和實用價值。其中強激光與半導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方向，半導體材料及器件在強激光的環(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，例如：在戰(zhàn)場上，雷達、光電探測器等是激光武器主要的打

2、擊對象；太陽能電池廣泛應用于宇航外太空，容易遭受各種射線輻射的照射；半導體材料在離子注入退火時常產(chǎn)生損傷等等，因此研究半導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體材料，在微電子領域、發(fā)光器件、光電器件領域都有廣泛的應用，是目前制作發(fā)光二級管(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，而且砷化鎵在光學和激光領域也有很大應用，如：

3、紅外激光輸出耦合鏡、飽和吸收體被動調(diào)Q、光頻率轉(zhuǎn)換器件等。研究強激光對砷化鎵材料的損傷對砷化鎵光電器件及其它半導體器件的損傷研究和激光損傷防護具有很強的指導意義和實用價值，從二十世紀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砷化鎵材料和器件的損傷進行過研究，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一步深入，例如：短波長連續(xù)激光對砷化鎵材料的損傷沒有過報道；對于激光損傷造成的組分變化研究很少

4、，損傷機理尚不完善等等。 本論文的主要工作在于研究砷化鎵半導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)構性的破壞，關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)及納秒脈沖激光對砷化鎵(GaAs)單晶材料的損傷，實驗上探測了損傷的發(fā)生過程，分析了其損傷的形式，測量了相應的損傷閾值，利用電子微探針、原子力顯微鏡等對樣品的損傷形貌進行了觀察、對損傷區(qū)域元

5、素組分的變化進行了測量，從理論上對損傷機制進行了分析和解釋。主要研究工作包括： Ⅰ.首次完成了0.53μm連續(xù)激光對砷化鎵(GaAs)材料的損傷研究實驗，將作用光同時作為探測光實時監(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材料損傷的形貌進行了觀察、對元素組分進行了分析，發(fā)現(xiàn)最初可以探測到的損傷形式為材料的熱分解，同時砷元素含量降低，激光繼續(xù)輻照加熱導致熔化、蒸發(fā)并伴隨有強烈氧化現(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)熱傳導理論采用有限差分法對這一激光致熱損傷過程進行了理論計算，與實驗結(jié)果相符，證明0.53μm連續(xù)激光對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)激光對砷化鎵(GaAs)材料的損傷，實驗中用一束分立的He-Ne激光作為探測光實時監(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揮發(fā)導致的表面性質(zhì)變化；使用電子

7、微探針分析儀對材料損傷的形貌、成分進行了觀察和分析，各組分元素含量沒有明顯變化，整個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系；根據(jù)熱損傷機制，對這些現(xiàn)象進行了細致的理論分析，表明樣品表面拋光狀況和樣品厚度對材料的損傷有很大影響。 Ⅲ.首次從實驗和理論結(jié)合的角度研究了0.53μm納秒脈沖激光對砷化鎵(GaAs)材料的損傷，進行了單脈沖(1-on-1)及多脈沖(s-on-1)的損傷實驗，測量

8、了相應的損傷閾值；對損傷的表面形貌進行了觀察，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；對損傷區(qū)的成分含量進行了分析，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行了相應的理論分析計算，得到的結(jié)果與實驗符合的很好，說明熱熔理論是0.53μm納秒脈沖激光對砷化鎵的損傷

9、的主要機制。 Ⅳ.研究了1.06μm納秒脈沖激光對砷化鎵(GaAs)材料樣品的損傷，進行了單脈沖(1-on-1)及多脈沖(s-on-1)的損傷實驗，測量了相應的損傷閾值； 對損傷的微觀形貌進行了觀察，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微米的小坑；對損傷區(qū)的成分含量進行了分析，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行理論分析，計算所得樣品表面溫度遠

10、低于材料熔點，說明均勻加熱機制并不是1.06μm納秒脈沖激光對砷化鎵的主要損傷機制；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)和納秒脈沖激光對砷化鎵材料的損傷實驗，測量了相應的損傷閾值，分析了其損傷過程和形式，進行了理論分析和討論，系統(tǒng)歸結(jié)如下： 對于連續(xù)激光輻照砷化鎵材料的情況，我們首次利用探測光實時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)，并用電子探針對損傷后的形貌進行觀察，表明兩種連續(xù)激光對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)生強烈的熔化現(xiàn)象；使用電子微探針分析儀對表面損傷區(qū)域的各元素成分的含量進行了測量，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、光加熱的熱傳導理論，用有限差分法計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，證實了砷化鎵材料的表面分解損傷情況，說明熱傳導是決定激光輻照樣品溫度的主要因素。 對于納秒脈沖激光對砷化鎵材料的損傷，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吸收