超掺杂硅中载流子陷阱诱导的负光电导效应及其近红外光电器件应用研究

本研究针对硅基材料在近红外波段（λ=1100-2500 nm）的光电响应局限，通过真空蒸发镀膜结合纳秒脉冲激光熔化技术制备锌（Zn）和钛（Ti）超掺杂硅，揭示了395 nm紫外光照射下由缺陷介导的载流子捕获引发的负光电导效应（NPC），其薄层电阻最高提升250%，并观察到负持续光电导现象（NPPC）。该工作为开发新型低功耗硅基红外光电器件提供了理论依据与技术路径。

　　

硅作为太阳能电池和光电探测器的核心材料，其1.12 eV的本征带隙限制了在近红外波段（1100-2500 nm）的光吸收能力。尽管通过超掺杂（Hyperdoping）技术可引入高浓度杂质带以拓展红外响应，但反常的负光电导效应（Negative Photoconductivity, NPC）现象——即光照下电导率降低的“反常规”行为，其物理机制尚不明确。这一效应若能可控利用，将显著提升弱光探测效率并降低器件能耗，对新一代光电器件设计具有重大意义。

中国电子科技集团公司第九研究所等机构的研究人员采用真空蒸发镀膜结合纳秒（ns）脉冲激光熔化技术，在p型单晶硅基底上制备了锌（Zn）和钛（Ti）超掺杂硅薄膜。通过微结构表征、光学吸收测试和电学性能分析，发现395 nm紫外光照射下材料出现显著的NPC效应：暗态条件下薄层电阻最高增加250%，连续2小时光照后更出现负持续光电导（NPPC）现象。研究证实，ns激光诱导的表面纳米晶重构与杂质带形成协同增强了近红外吸收，但掺杂过程引入的缺陷在紫外光激发下成为载流子陷阱中心，通过捕获光生载流子降低载流子浓度，从而引发电阻率升高。该成果发表于《Materials Science in Semiconductor Processing》，为硅基红外光电器件的性能优化提供了新思路。

关键技术方法包括：1）真空蒸发镀膜结合ns脉冲激光熔化制备超掺杂硅薄膜；2）紫外激光雕刻制备25×25 mm²
硅基底样品；3）超声清洗与氮气干燥预处理；4）激光参数与沉积厚度匹配优化掺杂效果；5）薄层电阻测试与载流子浓度分析。

表面结构特征
扫描电镜显示ns激光处理的Si-Zn混合膜在硅基底形成超掺杂层（图2a），激光能量密度调控导致表面纳米晶重构与Zn/Ti杂质深度分布优化，X射线衍射证实非晶-纳米晶复合结构形成。

光学与电学性能
紫外-可见-近红外光谱显示超掺杂硅在1100-2500 nm波段吸收率提升3倍，但395 nm紫外光照射下出现反常电阻升高。瞬态光电导测试表明载流子寿命从微秒级缩短至纳秒级，证实陷阱中心对载流子的捕获主导了NPC效应。

结论与讨论
研究阐明紫外光诱导的NPC效应源于缺陷介导的载流子捕获与杂质带工程的竞争机制。相较于硫（S）超掺杂硅中S-Si键光解导致的NPC（电阻最大提升817%），Zn/Ti掺杂体系表现出更好的热稳定性。该发现不仅深化了对半导体中光-电转换反常现象的理解，更为设计具有可控光电导特性的新型探测器（如低功耗非易失性存储器、逻辑器件）提供了材料基础。未来通过缺陷类型与浓度的精确调控，有望实现NPC效应的按需定制，推动硅基光电器件向宽谱响应、低功耗方向突破。