ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА НА ПОРОГ ПОВРЕЖДЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО Β-GA₂O₃ ПРИ ДЛИНЕ ВОЛНЫ 515 НМ

АННОТАЦИЯ

В работе представлены результаты исследования порога повреждения поверхности нелегированного монокристалла β-Ga₂O₃ толщиной 0,5 мм при воздействии одиночных фемтосекундных лазерных импульсов с длиной волны 515 нм. Исследовано влияние длительности импульса на условия возникновения видимых повреждений поверхности. Установлено, что в диапазоне 224–524 фс порог повреждения практически не изменяется и соответствует мощности около 59 % от максимальной. При увеличении длительности импульса до 1000 фс порог возрастает до 89 %, а при 2000 фс повреждения не наблюдаются. Рассчитаны пороговые значения энергии импульса и флюенса.

Ключевые слова: β-Ga₂O₃, оксид галлия, фемтосекундный лазер, лазерная абляция, порог повреждения, флюенс.

Введение

β-Ga₂O₃ относится к классу сверхширокозонных полупроводников и рассматривается как перспективный материал для силовой электроники и фотоники [1–5]. Ширина запрещённой зоны составляет около 4,8–4,9 эВ, а критическое электрическое поле существенно превышает аналогичный параметр кремния. В связи с этим возрастает интерес к разработке методов локальной модификации поверхности оксида галлия. Одним из наиболее перспективных инструментов является фемтосекундная лазерная обработка, позволяющая выполнять микро- и наноструктурирование материала с минимальной зоной термического влияния [6–10]. Целью работы является исследование влияния длительности одиночного фемтосекундного импульса на порог возникновения видимых повреждений поверхности β-Ga₂O₃ при длине волны 515 нм.

Методика эксперимента

В качестве объекта исследования использовался нелегированный монокристалл β-Ga₂O₃ толщиной 0,5 мм. Эксперименты проводились на установке ANTAUS‑20W. Длина волны излучения составляла 515 нм, максимальная средняя мощность – 17,5 Вт, частота повторения импульсов – 300 кГц. Повреждения регистрировались цифровым микроскопом и камерой установки. Для определения порога повреждения использовался метод одиночного импульса: на каждую точку поверхности воздействовал один лазерный импульс, после чего осуществлялось перемещение образца. Массив точек формировался при мощностях 99 до 49 % от максимальной мощности лазера с шагом в 5%.

Результаты и обсуждение

Для длительности импульса 224 фс был сформирован массив точек, представленный на рисунке 1. Анализ изображения показал наличие визуально различимых повреждений поверхности вплоть до уровня мощности 59 % от максимального значения. При дальнейшем снижении мощности следы воздействия не фиксировались.

Рисунок 1. Массив точек на поверхности β-Ga₂O₃ при длине волны 515 нм, длительности импульса 224 фс и воздействии одного импульса на точку

Аналогичные эксперименты для длительностей 324, 424 и 524 фс показали отсутствие существенного изменения порога повреждения. Во всех случаях последние визуально наблюдаемые повреждения регистрировались при мощности около 59 %. Следовательно, в рассматриваемом диапазоне длительностей изменение пиковой мощности недостаточно для заметного изменения условий разрушения поверхности.

При увеличении длительности импульса до 1000 фс порог повреждения смещался к более высоким значениям мощности и составлял около 89 %. Для длительности 2000 фс видимые повреждения отсутствовали во всём исследованном диапазоне. Полученные результаты согласуются с представлениями о роли нелинейного поглощения энергии в процессах фемтосекундной абляции. Увеличение длительности импульса приводит к уменьшению пиковой интенсивности и снижению эффективности многофотонного возбуждения носителей заряда.

При максимальной мощности 17,5 Вт и частоте повторения 300 кГц энергия одного импульса составляет 58,3 мкДж. Для порогового уровня 59 % энергия импульса равна 34,4 мкДж, что соответствует флюенсу около 47,5 Дж/см². Для уровня 89 % энергия импульса составляет 51,9 мкДж, а соответствующий флюенс достигает 71,7 Дж/см². Полученные значения могут быть использованы при выборе режимов лазерной микрообработки β-Ga₂O₃.

Выводы

1. Исследовано воздействие одиночных фемтосекундных импульсов с длиной волны 515 нм на поверхность монокристаллического β-Ga₂O₃.

2. Установлено, что в диапазоне длительностей 224–524 фс порог повреждения соответствует мощности около 59 % от максимальной.

3. При длительности импульса 1000 фс порог повреждения возрастает до 89 %.

4. Для длительности 2000 фс видимые повреждения поверхности отсутствуют.

5. Рассчитанные пороговые флюенсы составили 47,5 и 71,7 Дж/см².

6. Полученные результаты представляют интерес для разработки технологий лазерного структурирования и микрообработки оксида галлия.

Список литературы:

1. Higashiwaki M., Sasaki K. et al. Gallium Oxide Metal-Semiconductor Field-Effect Transistors // Applied Physics Letters. 2012.
2. Pearton S.J. et al. A Review of Ga₂O₃ Materials, Processing and Devices // Applied Physics Reviews. 2018.
3. Higashiwaki M., Jessen G.H. The dawn of gallium oxide microelectronics // Applied Physics Letters. 2018.
4. Rafique S. et al. Review of β-Ga₂O₃ material, processing, and devices // ECS Journal of Solid State Science and Technology. 2019.
5. Oshima T. et al. Deep-ultraviolet Schottky photodetectors based on β-Ga₂O₃ // Applied Physics Express. 2008.
6. Vorobyev A.Y., Guo C. Femtosecond Laser Nanostructuring of Materials // Optics Express. 2006.
7. Chichkov B.N. et al. Femtosecond, picosecond and nanosecond laser ablation of solids // Applied Physics A. 1996.
8. Stuart B.C. et al. Optical ablation by high-power short-pulse lasers // JOSA B. 1996.
9. Ashkenasi D. et al. Surface damage threshold and structuring of dielectrics using femtosecond laser pulses // Applied Surface Science. 1999.
10. Bonse J. et al. Laser-induced periodic surface structures // IEEE JSTQE. 2017.