激光誘導(dǎo)的GaAs和GaN等離子體特性研究.pdf

1、等離子體是由帶電的正負(fù)粒子(其中包括正離子、負(fù)離子、電子等)組成的整體呈電中性的電離態(tài)氣體。它并列于固體、液體、氣體等狀態(tài)被稱為物質(zhì)存在的第四態(tài)，并廣泛存在于宇宙中，目前觀測(cè)到的宇宙物質(zhì)，99％都是等離子體。等離子體科學(xué)涵蓋廣泛，在工業(yè)、電工電子、軍事、生物醫(yī)學(xué)、可控核聚變、航空航天等方面發(fā)揮著重要的作用，在我們的實(shí)際生活中扮演著重要的角色。激光誘導(dǎo)等離子體是形成等離子體的重要方法。激光輻照在固體靶表面，靶材料迅速發(fā)生汽化、電離等過(guò)程形

2、成激光誘導(dǎo)的等離子體。激光等離子體具有其它等離子體不具備的顯著特點(diǎn)，例如內(nèi)部具有強(qiáng)電場(chǎng)、很強(qiáng)的動(dòng)力學(xué)壓力而且是良好的高離化態(tài)粒子光譜源等等。研究激光誘導(dǎo)的等離子體具有重要意義，不僅可以深入了解激光與物質(zhì)相互作用、等離子體內(nèi)部粒子能級(jí)變化以及激光制冷原子等過(guò)程，而且為PLD方法制備GaAs和GaN等半導(dǎo)體、超導(dǎo)薄膜以及納米結(jié)構(gòu)提供重要的參數(shù)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。
　　砷化鎵(GaAs)和氮化鎵(GaN)分別被稱為是繼硅之后的第二代和

3、第三代半導(dǎo)體材料的代表。90年代后GaAs作為一種性能優(yōu)良的半導(dǎo)體材料逐漸取代硅材料，在微電子、發(fā)光器件、光電器件等眾多領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。目前，它是制作發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)、太陽(yáng)能電池(SC)等的主要原料，同時(shí)在光學(xué)等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。另外GaAs材料是研究激光制冷原子的重要材料，激光誘導(dǎo)的GaAs等離子體發(fā)射光譜可以為激光制冷原子的研究提供重要的參數(shù)。GaN材料的研究與應(yīng)用是目前全球半導(dǎo)體研究的前沿和熱點(diǎn)，它是

4、研制微電子器件、光電子器件的新型半導(dǎo)體材料，具有直接帶隙寬、原子鍵強(qiáng)、熱導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性好、抗輻照能力強(qiáng)等性質(zhì)，可制作紫外光探測(cè)器、光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件，在激光探測(cè)器、航空航天、雷達(dá)與通信等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。
　　本文主要工作是利用高分辨時(shí)空探測(cè)系統(tǒng)對(duì)激光誘導(dǎo)的GaAs和GaN等離子體進(jìn)行了光譜診斷。光譜法具有非接觸測(cè)試的特點(diǎn)，是等離子體診斷的重要方法。通過(guò)探測(cè)得到了有關(guān)原子和離子的時(shí)空分辨譜，在光譜診斷的

5、基礎(chǔ)上對(duì)激光誘導(dǎo)的GaAs和GaN等離子體的特性進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)光譜的分析得到了GaAs等離子體的電子溫度和電子密度及其隨時(shí)間的演化關(guān)系。另外對(duì)GaAs等離子體羽和GaN等離子體羽的膨脹速度進(jìn)行了測(cè)量，并與理論計(jì)算進(jìn)行了比較。結(jié)合實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果，對(duì)等離子體發(fā)射光譜的時(shí)間演化和產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了分析；對(duì)等離子體中Ga原子的發(fā)射譜線的譜線展寬和頻移現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的研究；對(duì)使用準(zhǔn)分子激光后等離子體發(fā)射譜線出現(xiàn)的自吸收現(xiàn)象進(jìn)行了定性的分析。利用一

6、維輻射轉(zhuǎn)移方程對(duì)等離子體譜線進(jìn)行了模擬，并在兩種情況下討論了模型參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。在研究過(guò)程中取得了一些創(chuàng)新性的結(jié)果。概括起來(lái)，本論文的主要內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　1、研究了激光誘導(dǎo)的GaAs等離子體的輻射機(jī)制和紫外波段光譜線隨時(shí)間的演化特性。通過(guò)分析知道，激光誘導(dǎo)的GaAs等離子體約在激光到達(dá)靶面5ns內(nèi)產(chǎn)生，連續(xù)譜在20ns左右達(dá)到最大值而后逐漸減小，這一現(xiàn)象可以用軔致輻射和復(fù)合輻射的共同作用來(lái)進(jìn)行解釋。從原子能級(jí)壽命方面解

7、釋了GaAs等離子體發(fā)射譜線中Ga原子譜線要比As原子譜線出現(xiàn)晚的現(xiàn)象。對(duì)Ga原子譜線Ga I287.42nm、Ga I294.36nm、Ga I403.30nm、Ga I417.20nm的譜線強(qiáng)度有明顯的上升再下降的現(xiàn)象進(jìn)行了解釋，另外對(duì)激光能量和壓強(qiáng)對(duì)等離子體發(fā)射譜線演化的影響進(jìn)行了研究。
　　2、運(yùn)用黑體輻射近似、相對(duì)譜線強(qiáng)度法、玻耳茲曼法相結(jié)合的方法測(cè)量了GaAs等離子體的電子溫度，運(yùn)用斯達(dá)克展寬與電子密度之間的關(guān)系求得了

8、GaAs等離子體的電子密度，并討論了激光能量、探測(cè)點(diǎn)距靶面的距離等因素對(duì)GaAs等離子體電子溫度和電子密度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在空氣中形成的GaAs等離子體的電子溫度和密度隨著激光能量的增加都出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，這種現(xiàn)象可以用等離子體的屏蔽效應(yīng)引起的等離子體自調(diào)節(jié)機(jī)制進(jìn)行解釋。另外等離子體的電子溫度和電子密度在距離靶面約為0.5mm處達(dá)到最大值，說(shuō)明等離子體形成后向外膨脹的過(guò)程中不斷吸收后續(xù)激光的能量，等離子體內(nèi)部的粒子存在繼續(xù)發(fā)生激發(fā)、電離

9、等過(guò)程，使得等離子體內(nèi)部的粒子數(shù)密度和內(nèi)能繼續(xù)升高，電子溫度和電子密度都在與靶面有一定距離處達(dá)到最大值。
　　3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光誘導(dǎo)的GaAs等離子體發(fā)射譜線和GaN等離子體發(fā)射譜線中Ga原子譜線都出現(xiàn)相同趨勢(shì)的譜線展寬和頻移現(xiàn)象。根據(jù)與函數(shù)的擬合發(fā)現(xiàn)，Ga原子譜線的展寬隨時(shí)間的演化與Biexponential函數(shù)符合得很好，我們從激光等離子體內(nèi)部不同分區(qū)的電子密度變化快慢方面對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了定性的分析。Ga原子的四條特征譜線

10、 Ga I287.42nm、Ga I294.36nm、Ga I403.30nm、Ga I417.20nm分別出現(xiàn)了兩種不同的頻移現(xiàn)象，Ga I287.42nm、Ga I294.36nm出現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象，Ga I403.30nm、Ga I417.20nm出現(xiàn)的是紅移現(xiàn)象。我們利用二級(jí)斯達(dá)克效應(yīng)造成的能級(jí)之間的相互作用對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。另外我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探討了多普勒效應(yīng)對(duì)譜線頻移的影響。其中對(duì)Ga原子譜線和As原子譜線在不同位置處出現(xiàn)的不同

11、頻移進(jìn)行了定性的說(shuō)明。
　　4、利用時(shí)間飛行譜對(duì)GaAs等離子體和GaN等離子體中Ga原子的飛行速度進(jìn)行了測(cè)量。對(duì)激光功率密度、背景壓強(qiáng)、靶材等對(duì)Ga原子的平均飛行速度的影響分別進(jìn)行了分析。另外利用R-N模型對(duì)等離子體中的Ga原子在真空中的飛行速度進(jìn)行了模擬計(jì)算，實(shí)驗(yàn)值相對(duì)于理論值隨距離增加有下降趨勢(shì)，原因在于理論計(jì)算沒(méi)有考慮背景氣體的影響。
　　5、實(shí)驗(yàn)測(cè)得，在1atm下準(zhǔn)分子激光誘導(dǎo)的GaAs等離子體中的Ga原子發(fā)射譜線

12、呈現(xiàn)出明顯的自蝕現(xiàn)象。我們對(duì)自吸收現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)制以及激光波長(zhǎng)和壓強(qiáng)對(duì)GaAs等離子體發(fā)射譜線的自吸收現(xiàn)象的影響進(jìn)行了研究。另外利用一維輻射轉(zhuǎn)移方程對(duì)均勻等離子體中Ga I417.20nm譜線進(jìn)行了模擬，并分別在光學(xué)薄等離子體和光學(xué)厚等離子體兩種情況下，對(duì)其中的參數(shù)對(duì)最后模擬結(jié)果的影響進(jìn)行了討論。光學(xué)薄等離子體環(huán)境下擬合結(jié)果良好，而在光學(xué)厚等離子體環(huán)境下沒(méi)有模擬出實(shí)驗(yàn)中所觀察到的自蝕現(xiàn)象，原因在于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榫鶆虻入x子體，沒(méi)有考慮等離子體內(nèi)