CN112091418A - 一种宽禁带半导体表面深亚波长周期性条纹结构的制备方法 - Google Patents

一种宽禁带半导体表面深亚波长周期性条纹结构的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽禁带半导体表面深亚波长周期性条纹的制备方法。其是通过在宽禁带半导体材料表面预镀金属膜的方式辅助飞秒激光加工在辐照区域形成深亚波长周期条纹结构。利用金属/宽禁带半导体的复合结构，在飞秒激光辐照过程中，可以大大增强材料对入射光能量的吸收，提高飞秒激光与宽禁带材料的相互作用效率。该方法降低材料烧蚀阈值效果明显，形成的深亚波长条纹周期精细。本发明还具有工艺简单、适用性广、灵活性强等优点。通过对飞秒激光能流、脉冲数、加工区域图案设计可以实现宽禁带半导体上不同形状及不同空间周期的深亚波长条纹。

Description

一种宽禁带半导体表面深亚波长周期性条纹结构的制备方法
技术领域
本发明涉及材料加工领域，具体涉及一种激光加工宽禁带半导体表面深亚波长周期性条纹结构的制备方法，属于飞秒激光微纳加工技术领域。
背景技术
以碳化硅(3.26eV)、氮化镓(3.4eV)、氧化锌(3.37eV)等为代表的宽禁带半导体称为第三代半导体。和第一代(Si/Ge)、第二代半导体(砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb))材料相比，第三代半导体具有宽的禁带宽度，高的击穿电场，高的热导率，高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。此外，由于第三代半导体发光效率高、频率高，从而在一些蓝、绿、紫光发光二极管、半导体激光器等方面有广泛的应用。
飞秒激光是一种非常有效的材料加工手段，具有峰值功率高、热效应小、加工精度高等独特的优势，被广泛应用于材料加工领域。利用飞秒激光对半导体材料表面进行微构造和重掺杂，能够改变材料的表面结构并提高半导体材料的光学电学性能(反射、吸收、光致发光等)、电学性质(电导率，电致发光等)，以及亲水性或疏水性等性质。但是由于宽禁带半导体的带隙较宽及对可见及近红外光透明等特点，其对飞秒激光的吸收受限于多光子电离和隧道电离，烧蚀阈值通常高于金属及半导体。高能流下，材料表面的烧蚀剧烈，激光诱导的周期性条纹结构形貌效果难以控制。此外，激光诱导的条纹周期极大地依赖于激光能流且随能流降低而降低，如果不能进一步降低烧蚀阈值能流，那么就难以形成更加精细的深亚波长条纹结构。
这种由于材料本身性质引起的激光加工问题，给宽禁带半导体的加工及应用都带来了很大困难。因此，我们急需一种方法来降低宽禁带半导体材料的烧蚀阈值并实现材料的精细加工。
发明内容
基于以上研究背景，本发明人经过长期试验和研究，提出一种宽禁带半导体表面深亚波长周期性条纹结构的制备方法。这种加工方式能够极大地降低超快激光加工宽禁带半导体材料的烧蚀阈值，促进透明材料的光吸收。此加工方法突破了现有氧化锌单晶表面飞秒激光诱导周期性纳米结构的周期极限。
依据本发明的技术方案，提供一种对宽禁带半导体表面深亚波长周期性条纹结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：选取宽禁带半导体材料，以超声或擦拭的方式对材料表面进行清洗；
步骤2：在宽禁带半导体表面制备纳米级厚度的金属膜；
步骤3：将覆盖有金属膜的半导体样品放入真空腔并固定于三维平移台的样品托上；
步骤4：腔内抽真空，或者通入一定气压(＜1bar)的气体；
步骤5：飞秒激光聚焦之后辐照样品表面，设定激光通量略高于金属/宽禁带半导体复合系统的烧蚀阈值对样品进行扫描，同时通过控制移动平移台实现深亚波长条纹结构的制备；
步骤6：扫描结束后，充入氮气、氩气或者空气等无毒气体至一个标准大气压，打开真空腔盖，取出样品。
其中，步骤1中，所述的宽禁带半导体材料为禁带宽度在2.3eV及以上的半导体单晶或薄膜，其晶向、大小和厚度不限；晶体材料要求表面平整，其表面平整度即材料表面最高点和最低点的差值小于等于10μm。
步骤2中所述金属膜可以是铝、金、银、锑、锡、镍、铂、铁、铬、钛或铜元素中的一种或几种，包括混合金属膜和多层金属膜；金属膜的制备方法包含但不限于：电阻热蒸发法、磁控溅射法、离子束溅射或电子束蒸发法等；金属膜覆盖所有宽禁带半导体表面的飞秒激光加工区域，单层金属膜厚度为1nm-900nm；
步骤4中真空度为101-10-5Pa，气体可以为氮气(N2)、氦气(He)、氩气(Ar)、空气、六氟化硫(SF6)、氯气(Cl2)；
步骤5中所述飞秒激光脉冲脉宽为5-900fs，重复频率是1Hz-100MHz，波长为紫外至近红外，设定飞秒激光脉冲的通量为0.01kJ/m2-100kJ/m2，样品表面单位面积上接收到的飞秒激光脉冲数为1-5000个，加工面积可根据样品大小自行控制；样品既可以逐行扫描加工大面积的深亚波长条纹结构，也可以设定点、线或特定扫描图案来制备微区深亚波长条纹结构；加工后的样品表面金属膜被溅射掉，样品表面刻蚀出深亚波长的条纹结构，条纹周期在100-250nm。
有益效果：
1、本发明提供的宽禁带半导体材料表面深亚波长条纹结构的制备方法，工艺简单、易于控制，能够极大降低材料的烧蚀阈值，实现深亚波长条纹的精细调控。
2、本发明采用金属镀膜进行宽禁带半导体的辅助加工，在飞秒激光与材料的相互作用过程中能够通过自由电子吸收激光能量增强光吸收，极大地降低了材料的烧蚀阈值。
3、本发明提供的在气体中加工宽禁带半导体材料，可以将气体元素或金属薄膜元素掺杂到材料中，实现了宽禁带半导体材料的高浓度掺杂。
4、深亚波长条纹周期依赖于激光能流和脉冲数目，通过调节激光能流可以对深亚波长条纹进行粗调。进一步控制脉冲数目可以实现深亚波长条纹的精细调控。
附图说明
附图1是依据本发明的对宽禁带半导体表面深亚波长周期性条纹结构制备方法流程示意图。
附图2是依据本发明的宽禁带半导体表面深亚波长周期性条纹结构的剖面结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至下述具体结构或部件或具体参数。
为了更详细的阐述本发明的技术手段和功效，下面结合实例对本发明提出的对宽禁带半导体表面深亚波长周期性条纹结构的制备进行详细说明。
下面结合附图，对本发明的制备方法进一步说明。
附图1是本发明提供的对宽禁带半导体表面深亚波长周期性条纹结构制备方法流程示意图。
附图2是本发明提供的宽禁带半导体表面深亚波长周期性条纹结构的剖面结构图。其中，2-1是经过飞秒激光辐照诱导出的深亚波长条纹结构加工区域，2-2是表面制备的金属薄膜，但是未受到飞秒激光辐照，2-3是宽禁带半导体衬底。
实施示例：
对氧化锌表面镀铝膜辅助深亚波长周期条纹结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：选取水热法生长的<0001>晶相单晶氧化锌薄片，其规格为10mm×10mm×0.5mm，双面抛光，粗糙度小于0.5nm；
步骤2：将氧化锌单晶薄片在乙醇和丙酮体积比为1∶1的混合液中超声清洗10分钟，再使用去离子水冲洗至表面洁净，使用氮气吹干。
步骤3：采用电阻热蒸发的方法在清洗干净的氧化锌表面蒸镀金属铝层，覆盖整个单晶氧化锌的表面，具体方法如下：将样品固定于样品架即蒸发镀膜机的钼舟正上方，在钼舟中放入适量的铝条，抽真空至3×10-3Pa后加热钼舟至铝条蒸发镀铝膜；
步骤4：将镀有铝膜的氧化锌固定在真空腔内三维平移台上的样品架上，使入射激光垂直照到氧化锌表面的铝膜上，在平移台的驱动下，样品可以在垂直于入射激光的平面上作二维运动；
步骤5：抽真空至5Pa，停止抽气并向真空腔内通入氮气至一个标准大气压，停止充气后抽真空，再次通入氮气，抽气，充气这一操作循环5次使真空腔充满高纯度的氮气；
步骤6：使用波长800nm，脉宽120fs，重复频率1kHz的飞秒激光，调节激光功率，使辐照到样品表面的超短脉冲激光通量为3kJ/m2。
步骤7：设定三位平移台的移动速度为1mm/s，行间距25μm，样品在平移台的驱动下逐行扫描，扫描一片面积为3mm×3mm的方形区域。
步骤8：加工完成后，抽真空至5Pa，停止抽气并充入氮气至一个标准大气压，此举是为了排除掉腔内烧蚀的纳米颗粒以免污染空气或对人体呼吸道造成伤害，打开腔盖，取出样品。
经过镀铝膜之后再进行飞秒激光加工的氧化锌，烧蚀阈值降低了54％，通过以上步骤在氧化锌表面制备的深亚波长条纹结构，周期低至102nm，突破了现有单晶氧化锌上飞秒激光诱导周期性条纹结构的周期极限。
上述实例仅为本发明较佳的具体实施方式，但并非对实施方式的限定，本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变动或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出各种各样的修改。

Claims (6)

1.一种宽禁带半导体表面深亚波长周期性条纹结构的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：选取宽禁带半导体材料，以超声或擦拭的方式对材料表面进行清洗；
步骤2：在宽禁带半导体表面制备纳米级厚度的金属膜；
步骤3：将覆盖有金属膜的半导体样品放入真空腔并固定于三维平移台的样品托上；
步骤4：腔内抽真空，或者通入一定气压(＜1bar)的气体；
步骤5：飞秒激光聚焦之后辐照样品表面，设定激光通量略高于金属/宽禁带半导体复合系统的烧蚀阈值对样品进行扫描，同时通过控制移动平移台实现深亚波长条纹结构的制备；
步骤6：扫描结束后，充入氮气、氩气或者空气等无毒气体至一个标准大气压，打开真空腔盖，取出样品。
2.根据权利要求1所述一种宽禁带半导体表面深亚波长周期性条纹结构的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的宽禁带半导体材料为禁带宽度在2.3eV及以上的半导体单晶或薄膜，其晶向、大小和厚度不限；晶体材料要求表面平整，其表面平整度即材料表面最高点和最低点的差值小于等于10μm。
3.根据权利要求1所述一种宽禁带半导体表面深亚波长周期性条纹结构的制备方法，其特征在于，步骤2中所述金属膜可以是铝、金、银、锑、锡、镍、铂、铁、铬、钛或铜元素中的一种或几种，包括混合金属膜和多层金属膜；金属膜的制备方法包含但不限于：电阻热蒸发法、磁控溅射法、离子束溅射或电子束蒸发法等；金属膜覆盖所有宽禁带半导体表面的飞秒激光加工区域，单层金属膜厚度为1nm-900nm。
4.根据权利要求1所述一种宽禁带半导体表面深亚波长周期性条纹结构的制备方法，其特征在于，步骤4中真空度为101-10-5Pa，气体可以为氮气(N2)、氦气(He)、氩气(Ar)、空气、六氟化硫(SF6)、氯气(Cl2)。
5.根据权利要求1所述一种宽禁带半导体表面深亚波长周期性条纹结构的制备方法，其特征在于，步骤5中所述飞秒激光脉冲脉宽为5-900fs，重复频率是1Hz-100MHz，波长为紫外至近红外，设定飞秒激光脉冲的通量为0.01kJ/m2-100kJ/m2，样品表面单位面积上接收到的飞秒激光脉冲数为1-5000个，加工面积可根据样品大小自行控制；样品既可以逐行扫描加工大面积的深亚波长条纹结构，也可以设定点、线或特定扫描图案来制备微区深亚波长条纹结构；加工后的样品表面金属膜被溅射掉，样品表面刻蚀出深亚波长的条纹结构，条纹周期在100-250nm。
6.根据权利要求1所述一种宽禁带半导体表面深亚波长周期性条纹结构的制备方法，其特征在于，飞秒激光加工金属/宽禁带半导体复合结构的损伤阈值相比原始宽禁带半导体材料的损伤阈值降低10％-60％；加工后，条纹周期低于飞秒激光加工的原始宽禁带半导体表面周期结构的最小值。
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