纳秒激光脉冲诱导硅表面微结构

利用Nd:YAG纳秒激光脉冲,在能量密度为1~10 J/cm2范围内辐照单晶硅,形成了表面锥形微结构,在SF6气氛和空气环境下均形成了锥形尖峰表面微结构。SF6气氛下产生的锥形尖峰顶端都有小球,部分锥形上还有二次尖峰形成,空气中纳秒激光诱导的锥形尖峰微结构顶端和边缘有由液滴固化形成的粒状物质,不同于利用准分子纳秒激光诱导的细长须状结构和飞秒激光辐照下产生的具有表面枝蔓状纳米结构的锥形微结构。实验结果表明,这种尖峰微结构的形成与辐照激光的波长和脉冲持续时间有关。对空气中微构造硅的辐射反射的初步研究表明,在500~2 400 nm范围内的光辐射反射率不高于20 %。     

纳秒激光脉冲诱导硅表面微结构

利用Nd:YAG纳秒激光脉冲,在能量密度为1～10 J/cm2范围内辐照单晶硅,形成了表面锥形微结构,在SF6气氛和空气环境下均形成了锥形尖峰表面微结构。SF6气氛下产生的锥形尖峰顶端都有小球,部分锥形上还有二次尖峰形成,空气中纳秒激光诱导的锥形尖峰微结构顶端和边缘有由液滴固化形成的粒状物质,不同于利用准分子纳秒激光诱导的细长须状结构和飞秒激光辐照下产生的具有表面枝蔓状纳米结构的锥形微结构。实验结果表明,这种尖峰微结构的形成与辐照激光的波长和脉冲持续时间有关。对空气中微构造硅的辐射反射的初步研究表明,在500～2 400 nm范围内的光辐射反射率不高于20%。     

不同气体环境下532nm激光诱导硅表面形貌的研究

研究了在不同气体环境下,利用532 nm Nd∶YAG纳秒脉冲激光累积辐照单晶硅表面形成的微结构,结果表明,在其他条件相同,背景气体不同的情况下,背景气体对硅表面形貌的形成起着重要的作用。具体分析了真空、N2和SF6 3种环境气氛下形成的微结构,结果显示,在SF6中形成的锥形微结构的数密度比在N2和真空中的大,并且锥形具有更大的纵横比;在N2、真空和SF6中形成的微结构尺寸依次减小。SF6气氛下,激光辅助化学刻蚀的效率比在真空和N2气氛中的高。另外,辐照区域边缘有波纹微结构形成,分析认为,该微结构的形成是由表面张力波的冷却导致的。     

不同气体环境下532nm激光诱导硅表面形貌的研究

研究了在不同气体环境下,利用532nmNd：YAG纳秒脉冲激光累积辐照单晶硅表面形成的微结构,结果表明,在其他条件相同,背景气体不同的情况下,背景气体对硅表面形貌的形成起着重要的作用。具体分析了真空、N2和SF6 3种环境气氛下形成的微结构,结果显示,在sF6中形成的锥形微结构的数密度比在N2和真空中的大,并且锥形具有更大的纵横比;在N2、真空和sF6中形成的微结构尺寸依次减小。sF6气氛下,激光辅助化学刻蚀的效率比在真空和N2气氛中的高。另外,辐照区域边缘有波纹微结构形成,分析认为,该微结构的形成是由表面张力波的冷却导致的。     

Nd:YAG纳秒激光诱导硅表面微结构的演化

利用Nd:YAG纳秒激光(波长为532和355 nm)对单晶硅在真空中进行了累积脉冲辐照,研究了表面微结构的演化情况.在激光辐照的初始阶段,532和355 nm激光脉冲均在硅表面诱导出了波纹结构,后者辐照硅表面后形成了近似同心但稍显混乱的环形波纹结构.随着脉冲数的增加,波纹结构逐渐演化为一种类似珠形的凹凸结构,最后形成准规则排列的微米量级锥形结构,该微结构的生长依赖于表面张力波和结构自组织.分析发现,形成的交叉环形结构主要是在355 nm激光辐照硅的过程中,表面张力波导致波纹结构部分叠加的结果.     

1064 nm纳秒脉冲激光诱导硅表面微结构研究

利用Nd:YAG纳秒激光(波长为1064 nm)在不同气氛(空气、N₂,真空)中对单晶硅进行累积脉冲辐照,研究了表面微结构的演化情况.在激光辐照的初始阶段,与532和355 nm纳秒脉冲激光在硅表面诱导出波纹结构不同,1064 nm脉冲激光诱导出了微孔结构和折断线结构,并且硅的晶面取向不同,相应的折断线结构也不同.对于Si(111)面,两条折线交角为120°或60°,形成网状;而对于Si(100)面,两条折断线正交,从而将表面分成了15—20 μm的矩形块.结果表明,微孔结构的生长过程主要与相爆炸有关,而折断线的形成主要是热应力作用的结果.不同气氛对微结构形成的影响表明,刻蚀率和生长率与微结构的形成有密切的关系. 关键词： 纳秒激光 硅的微结构 相爆炸 热应力     

单脉冲纳秒激光诱导硅表面微结构

利用Nd:YAG纳秒脉冲激光(波长532 nm)在空气中对单晶硅表面进行单脉冲辐照,研究了激光能量密度和光斑面积变化对微结构的影响。通过场发射扫描电子显微镜和原子力显微镜(AFM)对样品表征,并对纳秒激光辐照硅的热力学过程进行分析。结果显示：当脉冲激光的能量密度接近硅的熔融阈值且光斑直径小于8 m时,形成尖峰微结构;随着能量密度或光斑面积增大,尖峰结构消失,形成边缘隆起和弹坑微结构。通过流体动力学模型得到微结构形貌的解析解,模拟得到的微结构形貌与实验测得的AFM数据一致。研究表明微结构的形成主要是由于表面张力引起的熔融硅流动。表面张力与表面温度和表面活性剂的质量浓度有关。温度梯度引起的热毛细流作用和表面活性剂浓度引起的毛细作用共同影响下形成尖峰、边缘隆起和弹坑微结构。     

532 nm纳秒激光辐照下的单晶硅表面微结构及荧光特性

采用Nd:YAG纳秒脉冲激光对单晶硅在空气中进行辐照,研究了表面微结构在不同能量密度和扫描速度下的演化情况。扫描电子显微镜测量表明,激光在相对较低能量密度下辐照硅表面诱导出鱼鳞状波纹结构,激光能量密度相对较大时,诱导出絮状多孔的不规则微结构。光致荧光谱（PL）表明,激光扫描区域在710 nm附近有荧光发射。用氢氟酸腐蚀掉样品表面的SiOx后,荧光峰的强度显著降低,说明SiOx在光致发光增强上起重要作用。能量色散X射线谱（EDS）表明氧元素的含量随激光能量密度的增大而增加。研究表明：纳秒激光的能量密度和扫描速度对微结构形成起着决定性作用,改变了硅材料表面微结构尺寸,增大了光吸收面积; 氧元素在光致发光增强上起重要作用,微构造硅和SiOx对光致荧光的发射都有贡献。     

飞秒激光烧蚀硅表面产生微纳结构过程中激光脉冲数目的影响

为了研究飞秒激光脉冲数目与硅表面形貌之间的关系,在相同的SF6气体氛围下,改变照射硅表面的飞秒激光脉冲数,发现在飞秒激光照射下由硅表面形成的微型锥状尖峰的高度与飞秒激光脉冲数呈现一种非线性关系.通过对该关系的研究有利于找出在制造具有较高吸收效率的高微型锥状尖峰的"黑硅"的实验条件,有利于基于"黑硅"材料的光电器件转化效...     

飞秒激光微构造硅光电二极管的光电响应

在一定条件SF6气体氛围中,硅可在飞秒激光辐照区产生m量级的尖峰结构。针对不同尖峰高度的微构造硅,在不同温度下退火,采用电子蒸发的方法在正反面分别镀上铝电极,制备出了飞秒激光微构造光电二极管,并测试了其光电响应。实验结果表明：飞秒激光微构造光电二极管的响应随微构造硅光电二极管的尖峰高度和退火温度的不同而不同。尖峰高度为3～4 m的样品在973 K温度退火30 min后,响应度可达0.55 A/W。即使在1100 nm波长处,这种新型的硅光电二极管的响应仍可高达0.4 A/W。     

Effect of polarization on femtosecond laser pulses structuring silicon surface

Arrays of conical-like spikes can be formed on silicon surface after irradiated with femtosecond laser pulses in ambient of SF₆ or N₂. In this article, we report our observations on how the shape of the spikes formed on silicon surface varies with the polarization of laser beam. The experimental results show that, with circular polarized laser irradiation, the shape of the spikes is conical; however, with linearly polarized laser irradiation, the spikes show elliptic conical shape, and the long-axes are perpendicular to the direction of the polarization of laser beam. The asymmetric shape of spikes produced by linearly polarized laser beam can be explained by considering the polarization dependence of Fresnel-refraction.     

表面微构造的硅材料--一种新型的光电功能材料

在SF6气体氛围内用飞秒激光照射硅表面,可在硅表面产生准规则排列的微米量级尖峰结构,形成“黑硅”新材料．初步研究表明,这种“黑硅”新材料对波长为250-2500nm的光波有大于90％的吸收,同时它还具有相当好的场致发射特性．由于具有这些奇特的光电性质,这种表面微构造的硅材料在光电探测器、太阳能电池、平板显示器等器件制造领域有着重要的潜在应用价值．     

Sub-wavelength surface structures on silicon irradiated by femtosecond laser pulses at 1300 and 2100 nm wavelengths

We present periodic ripples and arrays of protrusions formed on the surface of silicon after irradiation by low-fluence linearly polarized femtosecond laser pulses. Laser-induced periodic surface structures (LIPSS) are observed for irradiation at center wavelengths of 800, ∼ 1300, and ∼ 2100 nm, with the structure periods somewhat less than the incident wavelengths in air. Additionally, we observe structures with spatial periods substantially less than the incident laser wavelengths. These sub-wavelength periodic structures form only when the photon energy is less than the silicon bandgap energy. We discuss a number of factors which may contribute to the generation of this surface morphology.     

Femtosecond laser-induced formation of spikes on silicon

We find that silicon surfaces develop arrays of sharp conical spikes when irradiated with 500-fs laser pulses in SF₆. The height of the spikes decreases with increasing pulse duration or decreasing laser fluence, and scales nonlinearly with the average separation between spikes. The spikes have the same crystallographic orientation as bulk silicon and always point along the incident direction of laser pulses. The base of the spikes has an asymmetric shape and its orientation is determined by the laser polarization. Our data suggest that both laser ablation and laser-induced chemical etching of silicon are involved in the formation of the spikes. Received: 10 September 1999 / Accepted: 7 January 2000 / Published online: 8 March 2000     

Self-organized silicon microcolumn arrays generated by pulsed laser irradiation

Cumulative nanosecond pulsed excimer laser irradiation of silicon produces an array of high-aspect-ratio microcolumns that protrude well above the initial surface. The growth of these microcolumns is strongly affected by the gas environment, being enhanced in air or in other oxygen-containing atmosphere. An array of very large and complex conical structures that also protrude above the surface is formed if the irradiation is performed in sulfur hexafluoride (SF₆). Kinetics studies of microcolumn growth show that: (i) A certain number of pulses is required to initiate growth of microcolumns; (ii) column nucleation is inhomogeneous, taking place always at the edges of deep grooves or pits; (iii) growth is fast with the earlier pulses but slows down to a halt when the columns reach a certain length. These studies show that columns nucleate and grow by continuous influx of silicon with each laser pulse. It is proposed that the axial growth of microcolumns and cones is due to the deposition of atoms or clusters at their tips. The column/cone tips are melted during irradiation and act as preferred sites for deposition, resulting in a very high axial growth rate. The contribution of etching and ablation to the flux of silicon-rich vapor produced during irradiation is discussed. The mechanism of columnar growth is compared with the vapor-liquid-solid method to grow silicon whiskers.