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光学应用又取得新进展!激光成就微电子新革命

2017-12-14 9:25:34 点击:

研究人员花了20多年的时间,首次证明了飞秒激光器可以在结构上处理块状硅,实现高精度应用。自90年代末以来,研究人员一直在将飞秒激光器的超短脉冲写入具有宽带隙的块状材料中,这些材料通常是绝缘体。但到目前为止,对于具有窄带隙的材料,如硅和其他半导体材料,精密超快激光写入还是不能实现的。

为了达到这些极端的NA值,研究人员借鉴了一种称为固体浸入式显微镜的高级显微镜技术。这种方法法类似于过去常用的液浸式显微镜,即将一小滴油放置在载玻片上。

由于油具有比空气更大的折射率,因此当光在载玻片和显微镜之间传播时,油会减少其光学折射量(光的弯曲)。

 

研究人员期望他们的实验结果将为3D激光写入在硅光子学中的应用以及半导体中新物理现象的研究创造更多条件。

来自于法国、卡塔尔、俄罗斯和希腊的科学家Margaux Chanal等人在最新一期的《自然通讯》(Nature Communications)杂志上发表了他们的论文“Crossing the threshold of ultrafast laser writing in bulk silicon”。

科学家发现,之前在硅中进行超快速激光写入的尝试中,飞秒激光器在结构上无法对体硅进行处理,即使将激光能量提高到技术上的最大脉冲强度时也是如此。

在新的研究中,科研人员发现,幸运的是,超快激光诱导的体硅结构操作没有受到物理上的限制。相反,他们发现激光能量必须以快速的方式在介质中传输,以便使非线性吸收的损失最小化。这一发现表明,所有过去工作时遇到的问题源于激光器的小数值孔径(NA),即激光传输聚焦时可以投射的角度范围。研究人员认为,为了达到预期的结果,有必要得到迄今为止在该领域尚未实现的极端NA值。

这反过来又增加了数值孔径和相应的显微镜分辨率(显微镜的NA测量了聚焦光而不是传输光的角度范围)。固体显微镜的不同之处在于它使用的是具有高折射率的固体材料而不是液体材料。

在新的研究中,科研人员使用硅球作为固体浸入介质。他们发现,当将激光聚焦在球体的中心时,它们可以完全抑制折射并大大增加数值孔径。极端NA值允许激光脉冲实现足够的电离以破坏硅中的化学键,这又导致了材料的永久性结构改变。

“关于超短激光脉冲在低带隙半导体(如硅)中的相互作用和传播这一物理现象,加深了我们对物理学的理解,并且能够帮助我们解决这个存在已久的问题,实现受控材料的结构修改并适于应用。德州农工大学卡塔尔分校以及希腊克里特大学的共同作者Stelios Tzortzakis告诉Phys.org。“更重要的是,介质中局部的能量沉积导致了一个热量和压力的非平衡阶段,这使得可以在实验室环境中创造和研究物质的新状态。

未来,研究人员计划通过借鉴另一种称为4-Pi装配的显微技术来进一步推广这种方法的使用范围。这个想法包含球心处交叉的具有极端NA值的多个激光脉冲,可能使得在体硅和其他半导体中进行超快激光写入的可能性大大提高。

“在硅中进行3D激光写入可能会大大改变硅光子学领域中设计和制备的方法,”法国科学研究所共同作者David Grojo说。“硅光子学被视为微电子学的下一场革命,影响着激光在芯片级别的最终数据处理速度。但由于采用了平面光刻技术(SOI技术),它仍然是一个2D的世界,通过我们的方法,可以设想它相当于一台3D打印机,可以用于任何创新架构的快速原型设计。这将使硅光子学专家能够以3D形式设计,同时对于突破性技术和新概念的出现来说是一个真正的助推器。”