Amorfización y ablación de silicio cristalino mediante láseres ultrarrápidos: dependencias de la duración del pulso y la longitud de onda de irradiación
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El estudio revela cómo los pulsos láser ultracortos pueden transformar el silicio cristalino en silicio amorfo, optimizando procesos clave en la fabricación de dispositivos semiconductores avanzados y en la fotónica de silicio.
Madrid / 29 de agosto de 2024
Investigadores e investigadoras del grupo de Procesado por Láser del Instituto de Óptica del CSIC y el Laboratorio LP3 perteneciente a la Universidad Aix Marseille y al CNRS han publicado un nuevo estudio en la revista Laser and Photonics Reviews en el que se caracteriza las condiciones para transformar silicio cristalino en silicio amorfo mediante la irradiación con pulsos láser ultracortos (menores a un picosegundo). Para ello se han estudiado los límites de fluencia para conseguir dicha transformación, incluyendo una amplia revisión bibliográfica, y se caracterizan las profundidades máximas de dicha transformación utilizando diferentes duraciones de pulsos, diferentes longitudes de onda y muestras con diferentes orientaciones cristalográficas.
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La fotónica de silicio es un campo clave en el desarrollo de tecnologías avanzadas para la fabricación de dispositivos electrónicos y fotónicos, aprovechando las propiedades del silicio, un material omnipresente en la industria actual de los semiconductores.
Uno de los procesos más importantes en este ámbito es la modificación controlada de la estructura del silicio mediante técnicas de láser. Estas técnicas permiten alterar las propiedades del material para poder utilizarlo en distintas aplicaciones, desde la fabricación de chips hasta el desarrollo de dispositivos ópticos.
a) Espesor de la capa amorfa en función de la longitud de onda del láser para irradiaciones de pulso único. Muestras: Si(111) (tipo n. 0,002-0,005 Ω·cm) y Si(100) (intrínseco. 200–600 Ω·cm). b–d) Imágenes de microscopía óptica de modificaciones inducidas por láser a diferentes longitudes de onda de irradiación en Si(111) y Si(100) (ambos intrínsecos) con iluminación a λLED = 460 nm. Los puntos corresponden a modificaciones en fluencias pico cercanas (por debajo y por encima) del umbral para la ablación (b) F0 = 200 y 260 mJ cm−2; c) F0 = 330 y 480 J cm−2; d) F0 = 490 y 720 J cm−2). / Laser and Photonics Reviews
El estudio publicado se centra en entender cómo la duración del pulso láser y la longitud de onda de irradiación influyen en los procesos de amorfización y ablación de la superficie de silicio cristalino.
La fusión de una parte de la superficie por láser y posterior recocido es una técnica ya establecida para permitir la recristalización de la superficie del silicio en forma amorfa. El proceso de amorfización de las superficies de silicio tiene como principal aplicación la creación de guías de ondas de superficie (como la fibra óptica de nuestras casas pero en un chip). Esto se consigue gracias al índice de refracción más alto de la fase amorfa en comparación con la fase cristalina, lo que hace que la luz rebote dentro de la guía y no pueda salir. El desafío hoy en día es lograr un espesor suficiente de la capa amorfa para satisfacer las condiciones de guía de ondas en las telecomunicaciones.
Para llevar a cabo el estudio, se ha comparado la literatura actual sobre estos temas con los datos experimentales y conclusiones del grupo de investigación, además en el presente trabajo se han publicado muchos de esos nuevos datos relacionados con el papel de la longitud de onda del láser para el procesamiento de Silicio.
También se ha demostrado experimentalmente la validez de la relación que se presuponía entre los umbrales de amorfización y los de fusión mediante mediciones de microscopía resueltas en el tiempo.
Este trabajo se enmarca en los esfuerzos científicos en el desarrollo de modelos que puedan predecir la respuesta del silicio a diferentes procesos láser de femtosegundos y así desarrollar aún más la llamada «fotónica de silicio».
Artículo: Mario Garcia-Lechuga, Noemi Casquero, Jan Siegel, Javier Solis, Raphael Clady, Andong Wang, Olivier Utéza, y David Grojo. “Amorphization and Ablation of Crystalline Silicon Using Ultrafast Lasers: Dependencies on the Pulse Duration and Irradiation Wavelength”. Laser and Photonics Reviews 2024, 2301327
Comunicación IO-CSIC
cultura.io@io.cfmac.csic.es
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