论文摘要
飞秒激光的出现为激光与物质相互作用的研究创造了更多的实验条件,本论文中一方面利用近红外的飞秒激光与半导体硅及硅基材料的相互作用产生的二阶非线性效应,对硅及硅基材料表面的特性进行了系统的研究,另一方面通过飞秒激光加工硅表面使得硅材料改性,得到了具有优异光学性质的周期微结构化的黑硅表面,从而利用其的高吸收光学性质制备了光电探测器件。为了确定应变对硅表面结构特性的影响,首先利用飞秒激光超强的特性研究了应变诱导硅表面的SHG行为,设计并制作单轴应变器件,目的是使条形硅样品处于柱形张应变状态下,进而通过硅表面产生的二次谐波强度随样品方位角的依赖关系确定出晶体在应变下的结构特性,即此时Si（111）晶体的点群对称性由Oh的对称性降为具有C3v的结构对称性。同时,对比晶体在应变前后表面SHG的行为特性得知,单轴柱形张应变的作用使得Si表面产生的二次谐波强度增强,预示着应变诱导的二阶非线性电极化率张量的产生。进一步探索了两种偏振组合（s-in/p-out和s-in/s-out）情况下Si表面产生的二次谐波强度随柱形应变的直接依赖关系,并定量给出了应变诱导的二阶非线性电极化率张量的两个分量χzyy（2）,strain和χyyy（2）strain与应变的线性关系。对比了实验测量和理论计算两种情况下在应变为ε。=2.93×10-4时的应变增强百分比,对于s-in/s-out偏振组合的情况,应变增强的实验值为13%,理论值为13.7%。对二次谐波强度随方位角依赖关系曲线进行傅里叶变换的结果表明,应用应变诱导的SHG方法测量的应变可以与激光束偏转方法的测量值相比拟,在应变的测量和表征方面表面SHG为非常有效的测量工具。为证明上面的结论,设计并制作了双轴压和双轴张两种类型的应变器件,目的是使Si分别处于球形压应变和球形张应变两种状态情况下,进而系统地研究应变诱导Si材料二次谐波的产生行为。利用两种应变器件分别测量了双轴张应变状态下和双轴压应变状态下自然氧化的Si表面SHG行为特性,通过应变诱导的二次谐波强度随样品方位角的依赖关系同样得出了应变状态下Si（111）晶体处于C3v,结构对称性的结论。而对二次谐波强度随应变的直接测量中,自然氧化的硅表面产生的二次谐波强度随双轴张应变的增加而增强,随着双轴压应变的增强首先减弱到极小值而后继续增强,两种应变状态下的测量结果均得出了自然氧化层硅表面的内建应变状态为伸张应变一致的结论,而内建应变值的大小由二次谐波强度随双轴压应变的变化曲线得到的极小值点而确定,即自然氧化层的内建应变值为3.07×10-4。同样SHG技术亦可表征硅基材料即锗硅合金的应变特性。选用超高真空化学气相沉积方法生长的锗硅合金作为研究的对象,在进行SHG实验研究之前分别对生长的完全应变的和应变弛豫的两种锗硅合金进行了双晶X射线衍射测量,确定了样品的应变状态及晶体的质量。从两种合金样品的SHG强度随样品方位角的依赖关系,确定了两种应变状态合金样品的结构特性。对于完全应变的锗硅合金,应变诱导了锗硅合金的体二阶非线性效应的产生,使得晶体的对称性降为Q的结构对称性,同时计算了由应变诱导的二阶非线性电极化率张量的值。对于应变弛豫的锗硅合金样品,其晶体的结构特性并未发生改变,而通过p-in/s-out偏振组合下的SHG强度随角度的测量曲线可以看出,应变弛豫的合金样品仍存在残余应变,残余应变的存在并不会对合金的晶体结构产生影响,确对SHG随角度的依赖关系中体现出来,说明了SHG方法可以确定应变弛豫的锗硅合金样品残余应变存在的事实。飞秒激光不仅可以对硅及硅基材料表面进行无损伤测量,强的飞秒激光还可对硅材料表面进行改性。利用掺钛蓝宝石飞秒激光放大器输出的800 nm的激光实现了对硅单晶表面进行微结构的制作及飞秒激光微结构化的黑硅样品进行探测器的制备研究。在SF6气氛中,研究了飞秒激光诱导的硅表面形成的周期微结构随激光参数的依赖关系,分别得到了周期条纹结构和二维尖峰圆锥微结构。进一步研究了微结构化的黑硅表面的光学特性,发现SF6气体环境下制备的黑硅样品在紫外到近红外区域均表现为高吸收特性,黑硅样品对大于吸收边波长光的高吸收特性突破了传统硅对此波段吸收屏蔽的限制。研究表明飞秒激光加工的黑硅表面引入了高浓度的S杂质,S在半导体硅的禁带中形成的杂质带实现了对大于吸收边波段光的吸收。同时S杂质的引入使得飞秒激光微结构的黑硅表面层形成重掺杂,从而与硅衬底之间形成载流子浓度差,即n+-n结。基于微结构层的高吸收特性及与微结构层与衬底之间形成的结实现了光电探测器的制作研究。设计了Mesa结构的探测器,并利用传统的微电子工艺制作了Mesa结构的黑硅探测器,对探测器的伏安特性及其光电响应特性进行了研究。