激光与砷化镓材料损伤研究现状

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砷化镓是一种重要的半导体材料。砷化镓于1964年进入实用阶段。砷化镓具有较高的光电转换率，电子迁移率高的特征。砷化镓可以制成电阻率比硅、锗高3个数量级以上的半绝缘高阻材料，电阻率可达109Ω。m,用来制作集成电路衬底、红外探测器、γ光子探测器等。由于其电子迁移率高，约为硅大5～6倍，故在制作微波器件和高速数字电路方面得到重要应用。此外,砷化镓材料还具有耐热、耐辐射及对磁场敏感等特性。所以,用该材料制造的器件也具有特殊用途和多样性,其应用已延伸到硅、锗器件所不能达到的领域[10-13]。87513

在微电子方面，以半绝缘砷化镓为基体，用直接离子注入自对准平面工艺研制的砷化镓高速数字电路、微波单片电路、光电集成电路、低噪声及大功率场效应晶体管，且有速度快、频率高、低功耗和抗辐射等特点，不仅在国防上具有重要意义，在民用和国民经济建设中更有广泛应用[14]。

砷化镓是一种很有发展前途的制作太阳能电池的材料。太阳能电池可以把太阳能直接转换为电能。硅太阳能电池是世界上使用最多的一种,它的转换效率最高能够达到18%～20%,而砷化镓太阳能电池在相同光照下最大效率预计可以达到23%～26%,它是目前各种类型太阳能电池中效率预计最高的一种。砷化镓太阳能电池抗辐射能力强,并且能在比较高的温度环境中工作，且有较高寿命。这对空间飞行器和航天系统具有重大意义，可为其提供稳定能源。论文网

在集成电路中，对于具有高速、高频性能的砷化镓材料，由于不必另外制作隔离层使寄生电容减少，对工作速度的提高有利。砷化镓所制元件能在400～500℃温度下正常工作，其热阻性能好于硅，对于大规模的集成电路的开发十分有利[1]。此外由于砷化镓材料具备较强的抗辐射能力，其承受能力一般比硅材料制备的电路高出2个数量级。

但是由于砷化镓属于二元化合物，其化学结构比硅更加复杂，其资源储量也不如硅丰富；而且砷化镓中的砷元素具有挥发性和毒性，对人体有害，在制备和加工过程中就得更加注重安全。并且砷化镓由于力学强度差，不易生长出无错位单晶，热导率低，难以进行稳态本征氧化等原因使得砷化镓制备困难。则对其进行更加深入的研究十分有必要的。

综上，研究强激光对砷化镓的损伤极其机制不仅有利于激光与物质作用研究的发展，也有很大实用意义。

经过多年的发展，有关砷化镓材料的理论和实验非常多[15-23]，其中激光损伤的研究是很重要的方面。常用激光器从波长分为以下几类：YAG红外激光，氩离子和准分子激光，红宝石激光；工作方式主要是纳秒激光，而近几年，人们对超短脉冲激光损伤砷化镓材料的研究很多。Tsu等人进行了激光作用GaAs的再结晶和损伤研究[24]，实验采用倍频的Nd:Yag激光器研究离子注入的非晶GaAs的再结晶现象，在20MW/cm2时获得了最好的结果。产生的损伤和单晶硅和离子注入GaAs是相似的，并且他们认为激光照射引起的As的流失和富含Ga的液体快速冷却是产生损伤的元婴。Meyer先提出了基于耦合扩散方程的半导体加热模型[25]，相较于之前的封闭形式的模型在光学和输运性质上更加全面。之后又提出了基于上述模型用于计算Ge,Si,InSb,和GaAs损伤阈值的理论[26]，该理论和实验结果吻合较好，并且对不同波长和脉冲宽度有较大的适用范围，脉冲宽度可从超短脉冲到短脉冲。Bechtel等人研究了皮秒激光器辐照半导体中的双光子吸收[27]，运用锁模单脉冲激光器来测量材料的双光子吸收系数，其中包括直接隙半导体材料GaAs,CdTe,ZnTe和CdSe，非间接隙半导体GaP，GaAs的双光子吸收系数是各向异性晶格结构导致的。Pospieszczyk等人进行GaAs和Si激光退火研究[28]，测量了不同激光能量密度下蒸发的Ga，As和Si原子的速度分布和密度变化，数据显示对于GaAs熔融始终发生在能量密度大于等于0。35J/cm2,对于硅则是0。8J/cm2。结果和激光退火的纯热模型是一致的。Sardar等人进行了单脉冲和多脉冲损伤GaAs表面的研究[29]，从化学腐蚀和表面形态上对损伤表面进行了讨论，并运用俄歇电子能谱法对元素纵向分布进行了探测。其发现多脉冲具有较低的损伤阈值，而单脉冲具有较高的损伤阈值，对于元素分布的影响，激光作用是轻微的，仅限于5纳米深度。Srivastava等人对皮秒（35ps）和飞秒（100fs）激光器烧蚀GaAs表面进行了研究[30]。其发现充满凹坑的烧蚀表面相比于未暴露的部分的热导率是变化的，这种改变取决裂缝部分的热导率和裂缝部分横截面积，并且发现在皮秒激光辐照下，烧蚀表面的热导率相比于平滑无凹坑的面是降低的，而在飞秒激光辐照下，烧蚀表面热导率的减少或增加取决于裂缝部分的热导率和裂缝部分横截面积。两者变化不同。Qi等人对1064nm连续激光损伤GaAs进行了研究[31]，发现材料表面并没有明显熔化和氧化现象，Ga和As几乎在整个损伤过程中保持不变。其损伤阈值极大程度依赖边界条件，只能估算出损伤阈值。随后Qi等人又对纳秒激光损伤GaAs进行有关研究[32]，其分别使用了1064nm和532nm波长进行研究，损伤阈值由实验确定。材料没有明显的氧化现象，同时发现当激光光子能量高于禁带宽度时，实验和理论吻合较好，而当激光光子能量小于禁带宽度时，不能通过纯热模型很好地解释。