YAG激光辐照下单晶硅表面结构变化的研究

将功率为实20~30W、波长为1064nm的YAG激光束照射在硅样品表面打出小孔，在孔内的侧壁上有特殊的网孔状结构。从分析激光与硅材料相互作用的原理来解释孔内侧壁上网孔状结构形成的原理。通过优化激光加工的条件，使我们获得了稳定的低维量子结构的和较强发光的样品。

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt”>1 引言

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normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt”>    跨世纪以来，对半导体硅低维纳米结构光学性质的研究工作进人了白热化。一方面是由于硅材料在电子信息产业中有很好的基础，且硅材料对生态无污染。二是信息业对硅的集成光-光元器件的发展提出迫切要求。目前，迫切需要解决的问题之一是在硅样品上生成稳定的低维结构。目前，主要采用电化学和光化学手段生成各种低维结构的多孔硅和纳晶硅样品，其化学过程带来的杂质及其干扰因素使样品成份、结构分布很不稳定。近年来，在单晶硅样品上用激光直接辐照方法生成低维量子结构是当今凝聚态光学领域前沿性的工作。这些开拓性工作对低维量子系统的理论研究和开发应用有重要的学术价值。

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt”>    本文选择用激光辐照的方法在单晶硅样品上加工出具有较强的稳定的PL发光特性的低维量子结构，包括用不同功率的连续激光和脉冲激光加工样品，从物理层面上弄清氧化低维纳米结构的生成机理，分析激光与硅材料的相互作用过程，建立激光诱导的冷等离子体波作用模型，从而指导激光优化加工的过程，使我们得到稳定的低维量子结构。

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normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt”>2 理论分析

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normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt”>    激光与材料相互作用，对材料表面起作用的主要是电子，当光强度达到或超过固体的光击穿阈值时，激光电场将诱导固体里的分子、原子被电离，释放出大量的自由电子和离子，形成电离高密度气状等离子体。

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt”>    对激光辐照硅样品过程的分析，对未加工的硅样品而言，样品中的载流子少。当我们用YAG激光照射到硅样品表面时，到达硅材料表面的激光功率密度达到硅材料的光击穿阈值时，激光照射的光能量被硅材料吸收(以单电子吸收过程为主)，硅材料中的分子变成原子形成气状物质，但物质的性质并没有改变。随着激光继续辐照使硅样品内电子一空穴对密度增加，同时自由载流子的吸收逐步增大，使载流子的动能增大。电子一空穴对密度N(t)由雪崩形式按N(t)=N(0)exp(t/T)来计算。N(0)为初始电子数密度，T为雪崩时间常数。随着硅样品内电子一空穴对密度增加到 value=”1019″ UnitName=”cm”>10 ^{19cm -3时，激光的照射可以使硅材料电离，形成电离高密度气状电子-空穴对等离子体或自由载流子等离子体。由于等离子体受到微小扰动使局部区域内出现了电子过剩的负电区域，同时也会相应地出现由过剩正离子构成的正电区域，这样就会产生一个由正电区域指向负电区域的电场。由于离子的质量远远大约电子的质量，同时略去离子与电子间的碰撞效应，我们把等离子体中的离子当成一种均匀分布的正电荷背景，而电场的恢复力(F = neE)将偏离平衡态的电子拉回来，但是由于运动所具有的惯性，电子不能在恢复电中性时就停下来，从而造成相反方向的电子与离子剩余区域，因而又出现相反方向的电场，将电子拉回去，从而电子做往复运动.}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt”>    由于激光的辐照，到达硅材料表面的激光能量密度较低时，忽略等离子体电子热运动，即热压强▽P=3m_{evte^{2 ▽ne，并考虑等离子体的高频特性，电子的往复运动形成等离子体中电子的集体运动。这种电子的集体运动行为称为静电振荡。电子等离子体的振荡频率:}}

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normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt”>    因为电子只受电场的恢复力，因而这种静电振荡不向外传播，不会形成波动。随着激光的继续辐照，使到达硅材料表面的激光能量密度增加到一定程度时，使电子做往复运动中除了受电场的恢复力(F=neE)外，还有热压强(▽P=3m_{evte^{2 ▽ne)，因而电子热运动的影响就不可忽略。由于电子运动增加了电子的热压强项，静电振荡就可以传播，从而形成静电波，也称冷等离子体波。这种波是纯静电的纵波，它是静电振荡通过电子热压强提供的恢复力作用而传播的。}}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt”>    冷等离子体波的频率:

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normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt”>    因而形成静电波条件:仅当ω﹥ω_{pe时，静电波才能传播。}

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normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt”>3 实验

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normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 18pt; mso-char-indent-count: 2.0″>在实验中，我们采用波长为1064nm、功率为20~30 W的YAG激光直接辐照电阻率为10~20Ωcm的P型掺杂的单晶硅样品的方法能够加工出更好的低维量子结构硅样品。先对样品作预处理:用酒精清洗样品表面，用氢氟酸溶液(NH value=”4″ UnitName=”F”>4F (49% ):HF=10:1)清除样品表面在大气中生成的天然氧化物，再用去离子水浸泡30s。吹干后，用YAG激光束(束斑大小约 value=”.045″ UnitName=”mm”>0.045mm )辐照硅样品。由于激光功率随电流的改变而改变，同时在空气中传输过程中，由于各种原因也可以造成激光能量损失。我们把激光器电流的大小调到19. value=”8″ UnitName=”a”>8A ，最后到达硅表面的激光功率大约为24 W。激光在空气中辐照的时间分别为1s,2s, 3s, 4s, Ss, 6s, 7s, 8s, 9s和lOsa

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 18pt”>用电子扫描探针(EPMA-1600型，日本岛津公司制造)的扫描二次电子和背散射电子成像技术观察与分析样品的表面形貌结构。我们发现激光束照射单晶硅表面后，在硅样品表面打出了孔洞，孔洞的线径约45微米，孔洞深约150微米(如图1所示);同时我们观察到在小孔的内侧壁上形成了网孔状结构(如图2所示):(a)激光辐照时间为8s的孔洞侧壁上的网孔状结构;(b)激光辐照时间为9s的孔洞侧壁上的网孔状结构;(c)激光辐照时间为lOs的孔洞侧壁上的网孔状结构。

图1nextpage

图2

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt”>    用YAG激光轰击单晶硅样品时，在样品的表面形成一个小孔，孔洞侧壁上网孔状结构的机理解释:激光辐照硅材料，到达硅材料表面的激光功率密度超过硅材料的光击穿阈值时，激光的照射可以使硅材料电离，形成电离高密度气状电子-空穴对等离子体或自由载流子等离子体。由于激光的功率密度(约1 510^{6 W/cm2)较高，在等离子体中的电子受到电场的恢复力和热压强，静电振荡就可以传播，从而形成纯静电的纵波，也称冷等离子体波。等离子体波在孔洞侧壁上形成的谐频驻波模型，冷等离子体波的频率:}

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normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt”>    冷等离子体波的频率由电子的密度n_{o，电子的质量me和电子的温度Te来决定，而电子的密度no和电子的温度Te随激光脉冲的辐照能量的增加而增加。控制激光加工的功率和时间等参量，使等离子体波的波长对于孔洞线径尺寸满足谐振条件。在孔洞中便有等离子体波的谐波产生，其等离子体波的驻波在孔洞侧面上形成的驻波节线便构筑起网孔状结构的纳米网孔状壁。该机理模型可以解释激光加工的优化条件，当选择一定的激光加工条件(如激光辐照时间、辐照能量等)，形成一定的载荷子密度，从而获得对应的等离子体谐波，在确定大小的孔中产生相应的驻波，能够形成一定的硅氧化纳米网孔状壁结构。随着激光辐照时间的改变，网孔硅壁的厚度逐渐变薄。由图2可知激光辐照时间为9s的孔洞侧壁上的网孔状结构较稳定。}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt”>    然后，用英国RENISHAW公司的RAMAN光谱仪测量样品网孔状结构所对应的光致荧光谱(PL),图3中的光致荧光谱显示出孔洞侧壁上有显著的光致荧光增强效应。在功率一定的条件下，改变加工时间，我们从图2发现网孔状结构的尺寸随之改变。但图3显示光致荧光发光峰的频率位置并不改变，该发光峰的位置约在700nm波长处。这就证明:其光致荧光发光的增强效应不能用单纯的量子受限模型来解释。由于单纯的用激光加工，没有化学成分的影响，而硅基上氧化硅膜的膜厚>lOnm，在氧化硅表面几乎没有光致荧光。但是在硅基与氧化硅的横断面上有很强的光致荧光。这就表明:光致荧光发光的增强效应不是来自单纯氧化硅或表面吸附态，而是源至硅与氧化硅的界面。综合以上分析的结果，我们小组尝试着用量子受限及其硅纳晶与氧化硅界面态复合的综合模型来解释其光致发光的增强效应。

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normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt”>4 总结

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normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt”>    我们用功率为20~30 W、波长为1064nm的YAG激光束照射在硅样品表面打出小孔，在孔内的侧壁上有特殊的网孔状结构，孔壁上直径大约0. 8 μm的孔由几纳米的壁层相隔开，网孔状结构的壁由大量被氧化硅所包裹的纳米硅组成。分析激光与硅材料相互作用过程，建立激光诱导的冷等离子体波模型。我们用冷等离子体波模型来解释孔内侧壁上网也状结构形成的机理。从而指导激光优化加工的过程，在一定的功率下，改变激光的辐照时间，使我们获得激光辐照时间为9s孔洞侧壁上形成稳定的低维量子结构。用英国RENISHAW公司的KAMAN光谱仪测量样品网孔状结构所对应的光致荧光谱( PL)，光致荧光谱显示出孔洞侧壁上有显著的光致荧光增强效应。我们得到激光辐照时间为9s的孔洞侧壁上的网孔状结构较稳定且光致荧光峰的强度最强。