连续及纳秒激光对砷化镓材料的损伤研究

论文摘要

激光与物质相互作用自从二十世纪六十年代激光问世以来就是被人关注的研究领域,对激光应用的各个领域如:激光加工、激光武器、激光核聚变、激光退火、激光沉积薄膜、光学元件的损伤、探测器的损伤等都存在重要的科学意义和实用价值。其中强激光与半导体材料的相互作用及其损伤研究是激光与物质相互作用很重要的一个方向,半导体材料及器件在强激光的环境下工作常常面临性能下降、失效甚至被破坏产生致命损伤的危险,例如:在战场上,雷达、光电探测器等是激光武器主要的打击对象;太阳能电池广泛应用于宇航外太空,容易遭受各种射线辐射的照射;半导体材料在离子注入退火时常产生损伤等等,因此研究半导体材料的激光损伤就十分必要。砷化镓（GaAs）是继硅（Si）之后的第二代重要的半导体材料,在微电子领域、发光器件、光电器件领域都有广泛的应用,是目前制作发光二级管（LED）、激光二极管（LD）、太阳能电池（SC）、高速集成电路（IC）、高温下工作的高频微波器件等的主要原料,而且砷化镓在光学和激光领域也有很大应用,如:红外激光输出耦合镜、饱和吸收体被动调Q、光频率转换器件等。研究强激光对砷化镓材料的损伤对砷化镓光电器件及其它半导体器件的损伤研究和激光损伤防护具有很强的指导意义和实用价值,从二十世纪七十年代至今这一课题一直活跃,人们从多种角度利用不同波长不同脉宽的激光对砷化镓材料和器件的损伤进行过研究,取得了不少有用的结果。但仍有一些方面的工作没有开展或有待进一步深入,例如:短波长连续激光对砷化镓材料的损伤没有过报道;对于激光损伤造成的组分变化研究很少,损伤机理尚不完善等等。本论文的主要工作在于研究砷化镓半导体材料的表面损伤问题,损伤的定义为材料表面出现结构性的破坏,关注其在损伤阈值附近的行为,而非高激光峰值密度下产生高温等离子体的情况。主要研究了0.53μm和1.06μm两种波长的连续及纳秒脉冲激光对砷化镓（GaAs）单晶材料的损伤,实验上探测了损伤的发生过程,分析了其损伤的形式,测量了相应的损伤阈值,利用电子微探针、原子力显微镜等对样品的损伤形貌进行了观察、对损伤区域元素组分的变化进行了测量,从理论上对损伤机制进行了分析和解释。主要研究工作包括:Ⅰ首次完成了0.53μm连续激光对砷化镓（GaAs）材料的损伤研究实验,将作用光同时作为探测光实时监测并观察了砷化镓材料在0.53μm连续激光辐照下的损伤过程,使用电子微探针分析仪对材料损伤的形貌进行了观察、对元素组分进行了分析,发现最初可以探测到的损伤形式为材料的热分解,同时砷元素含量降低,激光继续辐照加热导致熔化、蒸发并伴随有强烈氧化现象的发生;测量了材料在0.53μm连续激光下的损伤阈值曲线;根据热传导理论采用有限差分法对这一激光致热损伤过程进行了理论计算,与实验结果相符,证明0.53μm连续激光对砷化镓的最初损伤为热致表面分解。Ⅱ首次系统研究了1.06μm连续激光对砷化镓（GaAs）材料的损伤,实验中用一束分立的He—Ne激光作为探测光实时监测并观察了砷化镓材料在1.06μm连续激光辐照下的损伤过程,最初探测到的损伤形式为砷元素挥发导致的表面性质变化;使用电子微探针分析仪对材料损伤的形貌、成分进行了观察和分析,各组分元素含量没有明显变化,整个损伤过程没有明显的熔化和氧化现象;而且材料在此波长下的损伤阈值与边界条件有很大关系;根据热损伤机制,对这些现象进行了细致的理论分析,表明样品表面抛光状况和样品厚度对材料的损伤有很大影响。Ⅲ首次从实验和理论结合的角度研究了0.53μm纳秒脉冲激光对砷化镓（GaAs）材料的损伤,进行了单脉冲（1-on-1）及多脉冲（s-on-1）的损伤实验,测量了相应的损伤阈值;对损伤的表面形貌进行了观察,损伤形貌与1.06μm脉冲激光造成的损伤有所不同,在熔融损伤出现之前没有发现无规则的分散的微观小坑,材料的损伤深度略小于激光穿透深度;对损伤区的成分含量进行了分析,在阈值附近的脉冲能量辐照下,损伤处的Ga和As元素含量没有明显变化（小于1%）,且没有氧O成分;依据纯热模型并采用有限差分法进行了相应的理论分析计算,得到的结果与实验符合的很好,说明热熔理论是0.53μm纳秒脉冲激光对砷化镓的损伤的主要机制。Ⅳ研究了1.06μm纳秒脉冲激光对砷化镓（GaAs）材料样品的损伤,进行了单脉冲（1-on-1）及多脉冲（s-on-1）的损伤实验,测量了相应的损伤阈值;对损伤的微观形貌进行了观察,在明显的形状规则的圆形冲击凹坑出现之前首先出现无规则的分散的尺度为几个微米的小坑;对损伤区的成分含量进行了分析,在阈值附近的脉冲能量辐照下,没有产生明显的富镓状态;根据热模型采用有限差分法进行理论分析,计算所得样品表面温度远低于材料熔点,说明均匀加热机制并不是1.06μm纳秒脉冲激光对砷化镓的主要损伤机制;结合多脉冲的损伤情况,我们提出了微观缺陷积累损伤理论定性解释。总之,我们完成了光子能量分别高于和低于砷化镓禁带宽度的0.53和1.06μm两种波长的连续和纳秒脉冲激光对砷化镓材料的损伤实验,测量了相应的损伤阈值,分析了其损伤过程和形式,进行了理论分析和讨论,系统归结如下:对于连续激光辐照砷化镓材料的情况,我们首次利用探测光实时观察辐照过程材料表面的反射情况,来判定损伤的出现,并用电子探针对损伤后的形貌进行观察,表明两种连续激光对砷化镓材料损伤的最初的形式都为表面分解,其中0.53μm连续激光辐照砷化镓产生强烈的熔化现象;使用电子微探针分析仪对表面损伤区域的各元素成分的含量进行了测量,发现只有0.53μm连续激光辐照引起明显的组分变化,砷元素大量减少同时氧元素含量增加,说明损伤过程存在明显的氧化;而1.06μm连续激光辐照造成的损伤组分变化不明显,砷元素含量只有微弱减少。根据激光加热的热传导理论,用有限差分法计算了样品受这两种波长连续激光辐照而引起的温度变化,证实了砷化镓材料的表面分解损伤情况,说明热传导是决定激光辐照样品温度的主要因素。对于纳秒脉冲激光对砷化镓材料的损伤,两种波长的激光造成的损伤形式有明显差别,而且都没有明显的组分变化。理论计算表明,0.53μm纳秒脉冲辐照引起的损伤符合热理论模型,而对于波长1.06μm的纳秒脉冲激光来说,纯热理论模型难以解释所产生的损伤,势必有其他非热或增强吸收加热机制起重要作用,结合多脉冲损伤实验,我们提出微缺陷累积增强吸收的损伤理论定性的解释光子能量小于禁带宽度的激光对GaAs的损伤。

论文目录

• 目录
• CONTENTS
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 引言
• 1.1 激光与物质相互作用
• 1.2 研究激光与半导体相互作用及损伤的意义
• 1.3 研究激光对砷化镓材料损伤的意义以及目前的研究进展
• 1.4 本论文的主要研究工作、安排及创新点
• 参考文献
• 第二章 砷化镓的性质及激光与半导体相互作用的基本理论
• 2.1 砷化镓半导体的基本性质
• 2.1.1 砷化镓半导体的晶体结构
• 2.1.2 砷化镓半导体的能带结构
• 2.1.3 砷化镓的基本物理化学性质
• 2.1.4 砷化镓的半导体性质
• 2.1.5 砷化镓的热物理性质
• 2.2 激光与半导体材料相互作用的基本理论
• 2.2.1 半导体材料对激光的吸收
• 2.2.2 载流子复合
• 2.2.3 半导体材料的损伤机理
• 参考文献
• 第三章 0.53μm连续激光辐照对砷化镓的损伤研究
• 3.1 0.53μm连续激光对砷化镓损伤的实验
• 3.1.1 实验过程
• 3.1.2 结果及讨论
• 3.2 连续激光作用的理论处理
• 3.2.1 解析分析
• 3.2.2 有限差分法理论计算
• 3.2.3 计算结果及分析
• 本章总结
• 参考文献
• 第四章 1.06μm连续激光辐照对砷化镓的损伤研究
• 4.1 实验过程
• 4.2 实验现象及结果
• 4.3 理论分析及讨论
• 本章总结
• 参考文献
• 第五章 0.53μm纳秒脉冲激光对砷化镓的损伤研究
• 5.1 实验过程
• 5.2 实验结果及讨论
• 5.3 理论分析
• 本章总结
• 参考文献
• 第六章 1.06μm纳秒脉冲激光对砷化镓的损伤研究
• 6.1 实验过程及实验结果
• 6.2 对1.06μm纳秒脉冲激光对砷化镓材料损伤的理论分析
• 本章总结
• 参考文献
• 第七章 全文总结
• 致谢
• 博士期间所参加科研项目和发表的学术论文
• 附第一作者发表英文论文两篇