تحليل معلمات الليزر الرئيسية للتقطيع الخفي لـ GaAs

يعد التحليل النظري لمعلمات الليزر أمرًا بالغ الأهمية لبرنامج متطلبات العملية والمتطلبات الفنية، ويجب أن يعتمد القطع غير المرئي على خصائص مادة الرقاقة لتحديد الطول الموجي المناسب لليزر، بحيث يمكن نقل الليزر عبر الطبقة السطحية للرقاقة، وتشكيل نقطة محورية داخل الرقاقة (ما يسمى بالطول الموجي شبه الشفاف). الشرط الأساسي هو أن تكون طاقة فوتون الليزر أقل من فجوة نطاق الامتصاص لمادة GaAs، وهي خصائص شفافة بصريًا. فقط عندما لا تمتص المادة الفوتونات أو كمية صغيرة منها، ستظهر البصريات خصائص شفافة. يمكن أن يؤدي امتصاص الفوتون إلى ظهور إلكترونات في حالات مختلفة بين القفزات، بحيث تنتقل الإلكترونات من مستوى الطاقة المنخفض إلى مستوى الطاقة الأعلى. عادة ما يتم وصف قوة امتصاص الطاقة الضوئية في أشباه الموصلات بمعامل الامتصاص. بافتراض شدة الضوء I(x) ومعامل الامتصاص (بالسم -1) لكل وحدة مسافة، فإن الطاقة الممتصة في dx هي:
دي(س)=- -أنا(س)دكس (1)
ومن ثم يمكن التعبير عن شدة الضوء الداخلية لأشباه الموصلات بالصيغة I(x) {{0}} I(0)-e - -x) (2)
حيث يكون معامل الامتصاص دالة للطاقة الضوئية، ويسمى اعتماد معامل الامتصاص على الطاقة الضوئية (الطول الموجي أو عدد الموجة أو التردد) بطيف الامتصاص. يوضح الشكل 1 أطياف الامتصاص لمواد أشباه الموصلات الشائعة (على سبيل المثال، Si، Ge، GaAs، إلخ.)، الطول الموجي بالقرب من 0. 87 ميكرومتر GaAs يخضع معامل الامتصاص لتغيير جذري بسبب امتصاص طاقة الفوتون بواسطة حاملات GaAs، بحيث يتم توليدها عن طريق القفز من مستوى الطاقة المنخفض إلى مستوى الطاقة الأعلى. في هذا الصدد، لا يمكن لشعاع الليزر ذو الطول الموجي الأقصر من 0.87 ميكرومتر أن يمر عبر رقاقة GaAs، في حين أن الطول الموجي الأكبر من 0.87 ميكرومتر يمكن أن يمر عبر رقاقة GaAs. هذا الطول الموجي هو الحد الأقصى للطول الموجي البالغ 0 لمواد GaAs.

يحدد الطول الموجي للضوء المطابق لحد الطول الموجي الطويل lect0 الحد الأدنى من طاقة الفوتون التي يمكن أن تسبب امتصاصًا جوهريًا في أشباه الموصلات، ويوجد حد تردد v 0 مطابق للتردد. عندما يكون التردد أقل من v 0 (أو يكون الطول الموجي أطول من lect0)، فمن المستحيل إنتاج امتصاص جوهري، وينخفض ​​معامل الامتصاص بسرعة، وهذا الطول الموجي lect{{5} } (أو حد التردد v 0) يسمى حد الامتصاص الجوهري لأشباه الموصلات.
الطول الموجي للموجة الضوئية التي يمكن أن يحدث فيها الامتصاص الداخلي أقل من أو يساوي عرض النطاق الترددي المحظور، أي:
hν{{0}}على سبيل المثال=hc/α0 (3)
حيث: على سبيل المثال هو عرض النطاق الترددي المحظور للمواد شبه الموصلة؛ ح هو ثابت بلانك. ج هي سرعة الضوء. يمكن الحصول على الاستبدال:
lect0=1.24/على سبيل المثال (4)
يمكن الحصول على الحساب: حد الموجة الطويلة Si π0 ≈ 1.1 ميكرومتر، حد الموجة الطويلة GaAs lect0 ≈ 0.867 ميكرومتر للتكامل ثلاثي الأبعاد للرقاقة من رقائق GaAs، على الرغم من أن سمك الرقاقة وتركيبة الشوائب ومحتواها من العوامل مثل الامتصاص الطيفي لها تأثير على مادة GaAs تمتص بشكل أساسي أطوال موجية تبلغ 0.87 ميكرومتر أو أقل، بما في ذلك الأطوال الموجية القريبة من الأشعة فوق البنفسجية من الضوء، والأطوال الموجية القريبة من الأشعة تحت الحمراء للضوء الأطول. معدل المرور أفضل للأطوال الموجية الأطول للضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء. ولذلك، فإن رقائق مادة GaAs ذات القطع الخفية، عادةً ما تختار الطول الموجي لليزر بالأشعة تحت الحمراء 1064 نانومتر (يختار القطع الكامل بالليزر عمومًا الليزر فوق البنفسجي)؛ قطع التخفي رقائق مادة Si، عادة ما يتم اختيار الطول الموجي لليزر بالأشعة تحت الحمراء 1342 نانومتر، بحيث يمر ضوء الليزر عبر سطح الرقاقة، في عدسة التركيز، مثل دور المؤسسات البصرية، الرقاقة في منتصف الجزء العلوي والأسطح السفلية للرقاقة بين سطح التركيز للاختيار. وفي الوقت نفسه، قدر الإمكان لتقليل سطح الحادث وتركيز الليزر بين الطبقة المادية لتأثير امتصاص الليزر.
يختار التكعيب الخفي GaAs شعاع ليزر تحت الحمراء نابض فائق القصر مع تردد تكرار عالي، وطاقة ليزر أكبر من 5 واط، ووقت عرض النبضة أقل من 100 نانوثانية، لضغط طاقة امتصاص الليزر إلى مستوى العتبة من أجل الحصول على تأثير مرغوب فيه أكثر طبقة التعديل والسيطرة على المنطقة المتضررة بالحرارة. في الواقع، يزداد معامل الامتصاص بشكل كبير مع زيادة درجة الحرارة. لذلك، تعد معلمة عرض النبضة أيضًا حرجة جدًا، وليست صغيرة جدًا لضمان امتصاص طاقة كافية في منطقة التركيز لتشكيل الطبقة المعدلة، وليست كبيرة جدًا للسماح لدرجة حرارة المنطقة المحيطة بالطبقة المعدلة بأن تكون مرتفعة جدًا . يوضح الشكل 2 (أ) عينة رقاقة GaAs بعد القطع غير المرئي، ويبين الشكل 2 (ب) قسم القطع من عينة رقاقة GaAs بعد القطع غير المرئي بواسطة المجهر، مما يوضح أنه على طول اتجاه سمك العينة بسمك 100 ميكرومتر، يتم تشكيل طبقة تعديل قليلة بعرض ميكرومتر وسمك 30 ميكرومتر في الطبقة الوسطى من الرقاقة. من الشكل 16 (ب)، يمكن ملاحظة خط صدع عمودي يمتد من أعلى وأسفل طبقة SD إلى الأسطح الأمامية والخلفية للرقاقة. يعتمد تأثير فصل الشريحة بشكل كبير على مدى امتداد هذا الشق العمودي إلى الأسطح الأمامية والخلفية للرقاقة.