利用红外激光系统单皮秒脉冲在硅中制备亚波长埋入结构

《Optics & Laser Technology》：Fabrication of sub-wavelength-sized buried structures in silicon with single picosecond pulses from IR-laser system

　　

研究人员利用中心波长2.09 μm、脉冲宽度约5 ps的中红外（Mid?IR）皮秒激光系统在体硅（bulk silicon）内部实现了亚微米尺寸改性的可控写入。通过在较宽深度范围内优化光谱、时空及能量参数，研究人员抑制了丝化（filamentation）过程中自聚焦与等离子体散焦的有害动态平衡，在阈值附近获得均匀且可重复的埋入缺陷，其尺寸小至0.7 μm × 1.1 μm，呈“米粒状”形貌。进一步利用孤立单脉冲横向写入由离散改性点构成的下凹包层波导（depressed cladding waveguide），波导长度9.8 mm，在1.55 μm波长下表征显示传播损耗最低达1.8 dB/cm，负折射率变化Δn最大可达2.1 × 10?3。研究表明，在2.1–2.2 μm附近光谱区硅的克尔非线性（Kerr nonlinearity）峰值与二、三光子吸收（two?photon absorption, three?photon absorption）谷值相叠加，结合皮秒脉冲降低峰值强度以削弱预焦点区非线性，可有效实现亚波长永久改性。该方法为体硅三维超精细光芯片制造提供了可重复、可控且适于工业需求的途径。

论文发表于《Optics》。研究背景方面，硅作为电子与光子学关键半导体材料，其激光加工如隐形切割（Stealth Dicing?）、焊接、烧蚀、钻孔等需求广泛。超快激光直写（ultrafast laser direct writing）在大带隙介电材料中可实现三维透明材料功能化，但硅的低带隙（～1.1 eV）、高线性折射率（～3.5）与非线性折射率（～3.1 × 10?1? cm2/W）导致飞秒脉冲下强非线性引发辐射离域，克尔诱导自聚焦与等离子体散焦平衡产生丝化及强度钳制（intensity clamping），阻碍体硅内能量局域化改性。纳秒至皮秒长脉冲虽减弱非线性，却增大热影响区；飞秒脉冲的脉串、纵向写入、等离子体光学及浸没介质等方法受限于几何、效率与可控性。现有横向写入分为低热速高重频叠加改性（热与自由载流子累积）与孤立超短脉冲改性两类，后者更利于可控三维超细制造，但此前深度范围受限且部分需额外点火。波长向中红外延伸可削弱双光子吸收（two?photon absorption），2.1–2.2 μm附近因克尔非线性峰值与多光子吸收谷值成为优选。研究人员在此基础上采用2.09 μm、5 ps单脉冲横向写入，在宽深度范围实现可靠亚微米埋入结构，并制备下凹包层波导表征性能，以推进工业适配。

关键技术方法包括：使用双面抛光1 mm厚n型（磷掺杂，<100>取向，～2 Ω·cm，掺杂浓度2.3 × 101? cm?3，Siltronix）与0.3 mm厚p型（硼掺杂，<100>取向，～0.2 Ω·cm，掺杂浓度1.1 × 101? cm?3，Siegert wafer）硅片，波导仅用n型；基于Ho:光纤种子Ho:YAG啁啾脉冲放大器的mJ级皮秒激光系统（2.09 μm，20 kHz，脉能≤100 μJ，5 ps），经半波板与Glan?Taylor偏振器调能，100×红外物镜（NA 0.85，LCPlan系列，校正环按Z_d/3设置）聚焦至～2 μm光斑；三维气浮纳米定位系统控制样品与物镜移动（Z_d为向体硅移动距离）；红外透射显微镜（InGaAs相机）、可见光显微镜、扫描电镜（SEM）及刻蚀（HF/HNO?/H?O体积比3:2:10）表征改性尺寸与形貌；1.55 μm光纤耦合激光二极管、SMF?28光纤对接耦合、扫描狭缝光束分析仪表征波导传输与折射率变化。

研究结果部分，在3. Experimental results and discussions中，首先通过确定位移Z_d与处理深度Z_p范围，发现表面损伤阈值约1.5 ± 0.2 J/cm2，最小Z_d为15 μm（阈值脉能0.6 μJ），Z_d < 15 μm时表面损伤阈值低于改性形成阈值而无改性；Z_d达80 μm后继续增加至120 μm以上且脉能>3.3 μJ时出现能量离域（energy delocalization）无改性。研究人员将处理窗口分为灰色（表面损伤无改性）、白色（低于改性阈值）、绿色（均匀可控改性，脉能不超过阈值1.7倍以抑制丝化）、黄色（不稳定）与红色（能量离域无改性）。红外显微镜显示绿区改性均匀分离（X向10 μm，Y向5 μm），实际处理深度因非线性传播偏离Z_d，如Z_d=15 μm时Z_p=40–42 μm，Z_d=80 μm时Z_p=268–280 μm，绿区内Z_p随脉能线性增加（斜率～11 μm/μJ），超限后出现“天使翼”形状且不匀。刻蚀后可见光显微镜与SEM测得单个缺陷尺寸小至0.7 μm × 1.1 μm，纵横比～0.6，呈椭圆“米粒状”。对比p型硅在Z_d 40–60 μm绿区写入，阈值与线性趋势无差，但自聚焦斜率增至16 μm/μJ，研究人员认为与n、p型硅载流子动力学不同（自由电子迁移率高于空穴，影响雪崩电离）及随时间变化的克尔非线性（瞬时与延迟介质响应）有关。随后研究人员在Z_d=50 μm以0.83–1.28 μJ（阈值1.1–1.7倍）写入直径20、30、40、50 μm的下凹包层波导（周向与点间间距2 μm，长9.8 mm），成功耦合1.55 μm光并确认负Δn。表征得低能组传播损耗1.8 dB/cm，高能组2.1 dB/cm；远场椭圆表明X与Z向数值孔径（Numerical Aperture, NA）不同（低能组NA_X≈0.08，NA_Z≈0.1；高能组NA_X≈0.09，NA_Z≈0.12），对应Δn_X = –0.9 × 10?3与Δn_Z = –1.4 × 10?3（低能），Δn_X = –1.2 × 10?3与Δn_Z = –2.1 × 10?3（高能），高能提升限光但增损，与窄/宽带隙晶体近阈值行为一致。表1对比显示本研究波导损耗与Δn与其他报道相近，下凹包层波导光经原生硅区，与直接写入波导（光经改性区）差异致损耗不同，仍优于掺离子激光晶体波导一个量级，需进一步优化脉冲时空谱特性以降插损并控Δn。

讨论与结论翻译部分，研究人员总结：利用2.09 μm皮秒激光实现体硅横向超快单脉冲写入，优化光谱、时空与能量属性可在40–280 μm宽深度范围制备亚波长改性；近阈值下获均匀可重复缺陷（最小0.7 μm × 1.1 μm），抑制丝化自聚焦与散焦动态；以此制9.8 mm下凹包层波导，40 μm直径波导在0.83 μJ与1.23 μJ脉能下表征得最低传播损耗1.8 dB/cm，最大负折射率变化2.1 × 10?3对应较高处理能。该研究为体硅超快激光加工工业化应用提供可重复可控的亚微米单脉冲改性方法，未来可通过结构光束进一步将缺陷缩至数十纳米级。

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