不同速度下砷化镓纳米划擦中表面与亚表面损伤机理研究

为了进一步改进砷化镓激光器谐振腔面的制造技术，采用分子动力学方法模拟了砷化镓激光器的刻划过程。生成了不同取向的GaAs晶体模型，包括GaAs[100]、GaAs[110]和GaAs[111]，并对这些模型进行了不同加工速度下的划痕模拟。基于仿真结果，分析了划痕、损伤宽度、亚表面损伤、堆高、位错分布和活动性等表面特征。结果表明，在砷化镓的刻划过程中，不同晶向的变形具有明显的各向异性。砷化镓晶体刮擦过程中的表面特征、损伤宽度、亚表面损伤和位错动力学与晶体取向密切相关。此外，增加加工的速度可以减小最大损伤宽度、提高堆叠高度，有利于提高材料去除率，但却会使表面质量略微降低，这一点适用于三个晶向。对于亚表面而言，随着划擦速度的增加亚表面损伤层的厚度会减小，这一点仅适用于GaAs[110]和GaAs[111]晶向，GaAs[100]晶向的亚表面损伤层厚度对速度的变化并不敏感；同时速度的增加会减小砷化镓亚表层中的完美位错长度和总长度，但对位错类型基本没有影响。

作为二代半导体材料，单晶砷化镓因其禁带宽度较宽、光电转换效率较高和电子迁移率较高等优异的光学性能，被广泛用作半导体激光器谐振腔面的衬底基片[1]。半导体激光器谐振腔面的表面质量影响光源的振荡，直接决定半导体激光器的稳定性。因此，提高其加工工艺技术并制备出无损伤的单晶砷化镓解理基面对于获得理想的谐振腔面和提升半导体激光器的性能尤为重要[2] [3]。国际上，WASMER 等[4]发现划片载荷大小及刀具的形状对解理质量具有影响。PARLINSKA 等[5]发现滑移和位错是砷化镓划片过程中的两种主要形变方式；国内对于砷化镓的相关解理加工技术仍存在很大的空白，急需相关研究进行填补。尽管已有学者从材料性能和新型工艺等方面对砷化镓纳米加工进行了研究[6]，但对于其在此过程中的损伤变形仍缺乏清晰的了解，特别是工艺参数，比如速度和材料各向异性对砷化镓在纳米加工中亚表面损伤形成的影响尚未被充分澄清。因此，为了进一步提高砷化镓基激光器的谐振腔制造技术， 探究砷化镓在纳米加工过程中表面和亚表面损伤形成的机制演化是我们解决问题的关键。

2. 分子动力学建模 图1 是对GaAs 进行划刻过程的分子动力学模型。它由边界层，恒温层，牛顿层以及工件组成，其中边界层和恒温层固定，工件被视为刚体[7]。最外层的黄色原子是边界层原子，这层的作用是固定工件