自90年代末以來(lái)，研究人員一直在將飛秒激光器的超短脈沖寫入具有寬帶隙的塊狀材料中，這些材料通常是絕緣體。但到目前為止，對(duì)于具有窄帶隙的材料，如硅和其他半導(dǎo)體材料，精密超快激光寫入還是不能實(shí)現(xiàn)的。人們一直致力于為3D 激光寫入在硅光子學(xué)中的應(yīng)用以及半導(dǎo)體中新物理現(xiàn)象的研究創(chuàng)造更多條件，從而拓展硅應(yīng)用的巨大市場(chǎng)。
近日，來(lái)自于法國(guó)、卡塔爾、俄羅斯和希臘的科學(xué)家Margaux Chanal等人在最新一期的《自然通訊》（Nature Communications）雜志上發(fā)表了一篇名為《Crossing the threshold of ultrafast laser writing in bulk silicon》的論文。論文中表示，之前在硅中進(jìn)行超快速激光寫入的嘗試中，飛秒激光器在結(jié)構(gòu)上無(wú)法對(duì)體硅進(jìn)行處理的問(wèn)題得到了突破，采用極端NA值允許激光脈沖可實(shí)現(xiàn)足夠的電離破壞硅中化學(xué)鍵，導(dǎo)致硅材料永久性結(jié)構(gòu)改變。
此次試驗(yàn)中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，飛秒激光器即使將激光能量提高到技術(shù)上的最大脈沖強(qiáng)度在結(jié)構(gòu)上仍然無(wú)法對(duì)體硅進(jìn)行處理。不過(guò)，將飛秒激光器替換成超快激光時(shí)，在誘導(dǎo)體硅結(jié)構(gòu)操作中沒(méi)有受到物理上的限制。他們還發(fā)現(xiàn)激光能量必須以快速的方式在介質(zhì)中傳輸，以便使非線性吸收的損失最小化。原來(lái)之前工作時(shí)遇到的問(wèn)題源于激光器的小數(shù)值孔徑（NA），也就是激光傳輸聚焦時(shí)可以投射的角度范圍。科研人員通過(guò)采用硅球作為固體浸入介質(zhì)解決了數(shù)值孔徑問(wèn)題。當(dāng)將激光聚焦在球體的中心時(shí)，硅球完全抑制折射大大增加數(shù)值孔徑，從而解決了硅光子寫入問(wèn)題。
事實(shí)上，在硅光子應(yīng)用中，進(jìn)行3D激光寫入將可能大大改變硅光子學(xué)領(lǐng)域中設(shè)計(jì)和制備的方法。而硅光子學(xué)則被視為微電子學(xué)的下一場(chǎng)革命，影響著激光在芯片級(jí)別的最終數(shù)據(jù)處理速度，這一3D激光寫入技術(shù)的研發(fā)為微電子學(xué)打開了新世界的大門。
